0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое цикл работы двигателя

Что называется рабочим циклом двигателя

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.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Впуск

При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60°С.

Сжатие

Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.

Расширение или рабочий ход

Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, 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 перемещается от ВМТ в НМТ — происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900 о С.

Выпуск

РАБОЧИЙ ЦИКЛ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Рабочий цикл — это строгая последовательность рабочих процессов (тактов), периодически повторяющихся в каждом цилиндре. Каждый такт соответствует одному проходу поршня.

Двигатели внутреннего сгорания бывают четырехтактными и двухтактными. Принципиальная разница между ними заключается в следующем: в четырехтактном двигателе один рабочий цикл происходит за четыре хода поршня, а в двухтактном — за два хода. Двухтактные двигатели используются в основном на мотоциклах, моторных лодках, скутерах и т. п. Поэтому здесь будем вести речь о четырехтактном двигателе внутреннего сгорания — именно такими моторами оснащаются легковые автомобили.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания включает в себя следующие такты.

1. Первый такт — впуск горючей смеси в цилиндр двигателя. Нужно сказать, что в цилиндре происходит сгорание топлива не в чистом виде, а смеси его паров с воздухом (горючая смесь). В советских автомобилях за приготовление такой смеси отвечал специальный прибор — карбюратор. Однако в современных автомобилях карбюраторы давно не применяются — данный процесс контролируется электроникой (прибором, который называется инжектор).

Для бензинового двигателя внутреннего сгорания оптимальной является горючая смесь, состоящая из 1 части бензина и 15 частей воздуха (то есть 1:15).

Горючая смесь попадает в цилиндр при открывшемся впускном клапане (напомню, что в нужный момент на него давит кулачок распределительного вала). В момент открытия впускного клапана поршень всегда расположен в ВМТ и начинает перемещаться вниз к НМТ. При этом над поршнем возникает разрежение, под воздействием которого в цилиндр поступает горючая смесь. Иными словами, при движении вниз к НМТ поршень засасывает горючую смесь в цилиндр через открывшийся впускной клапан. Как только поршень достигнет НМТ, клапан под воздействием мощной пружины возвращается на прежнее место и плотно закрывает впускное отверстие.

Когда горючая смесь попадает в цилиндр, она перемешивается с остатками имеющихся в нем выхлопных газов. Такая смесь называется рабочей, и именно она будет сгорать в камере сгорания.

На протяжении первого такта работы мотора кривошип коленчатого вала (рис. 1.4) проворачивается на пол-оборота.

Рис. 1.4. Коленчатый вал двигателя.

2. Исходное положение для начала второго такта таково: поршень находится в НМТ, впускной клапан плотно закрыт, цилиндр заполнен рабочей смесью. Во время второго такта поршень перемещается от НМТ к ВМТ, сжимая в процессе этого находящуюся в цилиндре рабочую смесь.

Опытным водителям хорошо знакомо такое понятие, как степень сжатия. Данный показатель информирует о том, во сколько раз сокращается объем рабочей смеси при достижении поршнем ВМТ. Отмечу, что степень сжатия — одна из наиболее значимых технических характеристик любого автомобиля.

В процессе сжатия рабочей смеси ее температура существенно повышается. При достижении поршнем ВМТ она равняется примерно +300… 400 °С. Что касается давления внутри цилиндра, то оно при этом составляет порядка 9-10 кг/см.

Второй такт заканчивается при достижении поршнем ВМТ. В этот момент рабочая смесь максимально сжата. За второй такт кривошип коленчатого вала проворачивается еще на пол-оборота. Следовательно, за два такта коленчатый вал делает один полный оборот.

3. Как отмечалось ранее, принцип работы двигателя внутреннего сгорания заключается в преобразовании тепловой энергии в механическую. Это происходит на третьем этапе работы двигателя, который называется рабочим ходом. Когда поршень находится в ВМТ, а рабочая смесь максимально сжата, между электродами свечи зажигания возникает электрическая искра, что вызывает воспламенение рабочей смеси (это происходит в камере сгорания). В результате на поршень, находящийся в ВМТ, оказывается мощное давление. Клапаны в этот момент плотно закрыты, продуктам горения деваться некуда, и именно они давят на поршень, который под воздействием этого давления вынужден двигаться вниз к НМТ. При этом он передает энергию своего движения через шатун на кривошип коленчатого вала, тем самым вынуждая его вращаться. Именно это вращение является движущей силой автомобиля.

Давление на поршень во время третьего такта рабочего цикла двигателя достигает 40 кг/см.

Во время третьего такта коленчатый вал двигателя проворачивается еще на пол-оборота.

4. Последний, четвертый такт рабочего цикла — выпуск отработанных газов. Он начинается, когда после третьего такта поршень находится в НМТ и начинает двигаться вверх. В этот момент под воздействием соответствующего кулачка распределительного вала открывается выпускной клапан и движущийся вверх поршень выдавливает выхлопные газы из цилиндра. Сразу после этого клапан плотно закрывает выпускное отверстие. Затем выхлопные газы через глушитель и выхлопную трубу выводятся наружу.

Читать еще:  Что является нагревателем дизельного двигателя

Четвертый такт завершается, когда поршень достиг ВМТ и плотно закрылся выпускной клапан.

В течение четвертого такта коленчатый вал проворачивается еще на пол-оборота. Следовательно, за четыре такта работы (на протяжении одного рабочего цикла) коленчатый вал делает два полных оборота.

После четвертого такта опять начинается первый такт и т. д.

Принцип работы ДВС — схематично

Впуск

По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.

Сжатие

После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.

Расширение или рабочий ход

В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.

При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом

. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 — 0.75 МПа, а температура до 950 — 1200 о С.

Архив WinRAR_1 / 2 — Двигатели / 27 — рабочие циклы, действит циклы ДВС

ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ДВС

Замкнутые теоретические (идеальные) циклы ДВС дают представление о протекании процессов в реальных двигателях, качественных зависимостях основных показателей этих двигателей от различных параметров циклов. В то же время количественные значения параметров реальных циклов весьма далеки от них в силу целого ряда причин. На рис.2.1 представлены циклы Отто, Дизеля и Тринклера, рассматриваемые при анализе идеальных циклов ДВС.

Р ис.2.1. Идеальные циклы Отто, Дизеля и Тринклера

Методы расчета действительных циклов

Замкнутые теоретические (идеальные) циклы ДВС дают наглядное представление о протекании процессов в реальных двигателях, качественных зависимостях основных показателей этих двигателей от различных параметров циклов. В то же время количественные значения параметров реальных циклов весьма далеки от них в силу целого ряда причин. Среди них, в первую очередь, необходимо отметить следующие.

1. Теплоемкость рабочего тела не постоянна, как это принимается при рассмотрении идеальных циклов, а существенно изменяется с изменением состава и температуры рабочего тела.

2. Процесс сгорания топлива в ДВС происходит по достаточно сложным законам и сопровождается интенсивным теплообменом.

3. Непрерывный интенсивный теплообмен через стенки, головку цилиндров, поршни и др. элементы конструкции.

4. Процессы газообмена, т. е. впуска и выпуска рабочего тела.

5. Утечки рабочего тела.

6. Подогрев воздуха, поступающего в двигатель.

Многие из перечисленных факторов удается учесть при рассмотрении действительных циклов, которые иногда называют «разомкнутыми». Эти циклы, по сравнению с идеальными, в значительно большей степени отражают параметры реальных двигателей, поскольку они учитывают следующие факторы.

1. Процессы впуска и выпуска (изменения температуры и давления рабочего тела, а также гидравлические потери при этом не учитываются).

2. Изменение состава рабочего тела в течение протекания цикла, а также его теплоемкости с изменениями температуры.

3. Зависимость показателей адиабат сжатия и расширения от средней теплоемкости.

4. Процесс сгорания топлива, а также изменение молекулярного состава рабочего тела.

5. Потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива, а также на подогрев остаточных газов и избыточного воздуха.

В настоящее время разработаны методики расчета подобных циклов, однако, достаточно надежные и достоверные результаты теплового расчета дают только полуэмпирические методики теплового расчета, учитывающие результаты экспериментальных исследований, накопленный опыт конструирования, изготовления и эксплуатации двигателей. В них расчет параметров и характеристик ДВС осуществляется на основе детального анализа процессов газообмена, сжатия, смесеобразования и сгорания, расширения.

Р ис.2.2. Действительные циклы четырехтактных и двухтактных ДВС

Основные сведения о рабочих циклах двс

Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя.

Такт впуска. Поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), создавая разрежение в полости цилиндра, над собой. Впускной клапан открыт, и цилиндр заполняется горючей смесью. Горючая смесь, перемешиваясь с остаточными газами в цилиндре, образует рабочую смесь. Из-за гидравлического сопротивления впускного тракта и нагрева смеси, давление в конце такта впуска составляет примерно 0,07-0,09 МПА, а температура 100-130°С.

Такт сжатия. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Рабочая смесь в цилиндре сжимается до 0,7 -1,5 МПа. Температура сжатой смеси достигает 300-450 О С. В конце такта сжатая смесь воспламеняется электрической искрой. В процессе сгорания топлива давление в цилиндре повышается до 3,0-4,5 МПа, а температура газов до 1900-2400°С.

Такт расширения. Иногда его называют рабочим ходом. Начинается движением поршня от ВМТ к НМТ под действием давления образовавшихся продуктов сгорания. Оба клапана закрыты. Шарнирно связанный с поршнем шатун приводит во вращение коленчатый вал, совершая полезную работу. К концу такта расширения давление газов уменьшается до 0,3-0,5 МПа, а температура до 1000 — 1200°С.

Такт выпуска. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выходят из цилиндра в атмосферу через выпускную трубу. К концу такта выпуска давление в цилиндре составляет около 0,11-0,12 МПа, а температура 500-800°С.

После прохождения поршнем ВМТ закрывается выпускной клапан и рабочий цикл завершается. Последующее движение поршня к НМТ — такт впуска — является началом следующего цикла.

Цикл четырехтактного дизеля

В дизеле в отличие от карбюраторного двигателя воздух и топливо в цилиндры вводятся раздельно.

Такт впуска. Поршень двигается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт и в цилиндр поступает воздух либо за счет разрежения в цилиндре, либо за счет избыточного давления воздуха, создаваемого нагнетателем у дизеля с наддувом. Давление в конце такта впуска у дизеля без наддува 0,08-0,09 МПа, а температура воздуха 50-80 О С.

Такт сжатия. Оба клапана закрыты. Поршень двигателя от НМТ к ВМТ и сжимает воздух, перемешанный с остаточными продуктами сгорания. Из-за большой степени сжатия (14-21) давление воздуха в конце этого такта достигает 3,5-4,0 МПа, а температура 500-700°С. При этом положении поршня в камеру сгорания впрыскивается мелко распыленное топливо, которое, попадая в среду сильно нагретого воздуха, нагревается, испаряется, воспламеняется и сгорает. Давление газов повышается до 5,5-9,0 МПа, а температура до 1600-2000°С.

Такт расширения. Оба клапана закрыты. Продукты сгорания, стремясь расшириться, давят на поршень, заставляя его перемещаться от ВМТ к НМТ. В такте расширения догорает оставшаяся часть топлива. К концу такта расширения давление газов уменьшается до 0,3-0,4 МПа, а температура до 600-900°С.

Такт выпуска. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются в атмосферу. Давление газов в конце такта выпуска составляет 0,11-0,12 МПа, а температура 400 — 600 0 С. Затем рабочий цикл повторяется.

У вышеописанных четырехтактных двигателей при выполнении тактов выпуска, впуска и сжатия необходимо перемещать поршень, вращая коленчатый вал. Эти такты называются подготовительными и осуществляются за счет кинетической энергии, накопленной маховиком двигателя в течение такта расширения.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя

В двухтактных двигателях для вытеснения отработавших газов из цилиндра используют принудительное вдувание воздуха или горючей смеси в цилиндр. Такой процесс называется продувкой. Продувка может осуществляться различными способами. Рассмотрим работу двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой. Когда поршень находится в положении близком в ВМТ камера сгорания заполнена сжатой рабочей смесью, кривошипная камера заполнена свежей порцией горючей смеси. В этот момент рабочая смесь в цилиндре воспламеняется электрической искрой от свечи. Давление газов резко возрастает, и поршень начинает перемещаться к НМТ — совершается рабочий ход. Когда поршень закроет впускное окно, в кривошипной камере начнется сжатие горючей смеси. Следовательно, при движении поршня к НМТ одновременно совершаются такты расширения и сжатия горючей смеси в кривошипной камере. В конце рабочего хода поршень открывает выпускное окно, через которое отработавшие газы с большой скоростью выходят в атмосферу. Давление в цилиндре быстро понижается. К моменту открытия продувочного окна давление сжатой горючей смеси в кривошипной камере становится выше, чем давление отработавших газов в цилиндре. Поэтому горючая смесь из кривошипной камеры по каналу попадает в цилиндр и, наполняя его, выталкивает остатки отработавших газов через выпускное окно в атмосферу.

Второй такт происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ. В начале хода из цилиндра продолжают вытесняться оставшиеся продукты сгорания вместе с частью рабочей смеси. Затем поршень последовательно перекрывает продувочное окно и выпускное окно. После этого в цилиндре начинается сжатие рабочей смеси. В это же время за счет освобождения поршнем некоторого объема в герметически закрытой кривошипной камере создается разрежение. Поэтому, как только нижняя кромка юбки поршня откроет впускное окно, через него из карбюратора в кривошипную камеру поступает горючая смесь. Таким образом, во время второго такта происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре и заполнение камеры новой порцией горючей смеси из карбюратора. После прихода поршня к ВМТ все процессы повторяются в такой же последовательности.

Читать еще:  Чем запаять алюминиевый двигатель

Кривошипно-камерная продувка наиболее проста, но наименее совершенна, так как при этом недостаточно полно осуществляется очистка цилиндра от продуктов сгорания. Поэтому она применяется только в двигателях малой мощности с небольшим абсолютным расходом топлива (двигатели мотоциклов, лодочные, модельные и т.п.). В строительных машинах и на транспорте подобные схемы используются в пусковых карбюраторных двигателях.

Цикл двухтактного дизеля

Протекает аналогично рабочему циклу двухтактного карбюраторного двигателя и отличается только тем, что у дизеля в цилиндре поступает не горючая смесь, а чистый воздух и в конце процесса сжатия впрыскивается топливо, которое воспламеняется от соприкосновения с нагретым воздухом. Так как в дизелях продувка осуществляется чистым воздухом, а не горючей смесью, они оказываются более экономичными по сравнению с карбюраторными двигателями.

Рабочие циклы двигателей

КОНСТРУКЦИЯ И РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

ТРАНСПОРТНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН

Сорокин В.Н.

С65 Конструкция и рабочие процессы энергетических установок транспортных и технологических машин (нефтегазодобыча): учеб. пособие / В.Н. Сорокин; Минобрнауки России, ОмГТУ, 2015. — с.: ил.

В краткой форме изложена конструкция и работа систем и агрегатов ДВС энергетических установок транспортных и технологических машин и оборудования.

Учебное пособие предназначено студентам направления 190600.62 «Эксплуатация транспортно — технологических машин и комплексов (нефтегазодобыча)»

ISBN ОмГТУ, 2015

ВВЕДЕНИЕ

Основным агрегатом любой транспортной или технологической машины является двигатель. Ввиду особой специфики работы нефтегазодобывающих предприятий в технологических процессах, которые они реализуют, значительную долю занимают энергетические установки с двигателями внутреннего сгорания.

Одной из важнейших задач стоящих перед технологическим транспортом и энергетическими установками, является повышение их эксплуатационной надежности. Решение этой проблемы, с одной стороны, обеспечивается промышленностью за счет выпуска машин с высокой надежностью и технологичностью, с другой стороны — совершенствованием методов технической эксплуатации, которая невозможна без глубоких знаний устройства и принципов работы узлов, агрегатов и машины в целом.

Основы работы и конструкции двигателя

Основные понятия и определения

Классификация двигателей.

На современных сельскохозяйственных тракторах и автомобилях установлены поршневые двигатели внутреннего сгорания. Двигателем внутреннего сгорания называют машину, в которой сгорание топлива и преобразование его тепловой энергии в механическую происходит внутри цилиндра. Эти двигатели классифицируют по следующим основным признакам:

а) по способу смесеобразования: с внешним смесеобразованием — карбюраторные и газовые; с внутренним смесеобразованием — дизельные;

б) по способу воспламенения горючей смеси: с принудительным воспламенением от электрической искры — карбюраторные и газовые; с воспламенением от сжатия — дизельные двигатели;

в) по числу тактов рабочего цикла — четырехтактные и двухтактные;

г) по виду применяемого топлива — бензиновые, газовые, дизельные;

д) по способу охлаждения — с жидким и воздушным охлаждением;

е) по числу цилиндров — одноцилиндровые и много цилиндровые (двух -,

четырех-, шести-, восьми -, двенадцатицилиндровые.

ж) по расположению цилиндров — однорядные и двухрядные или У-образные (два ряда цилиндров расположены под углом друг к другу), оппозитные (угол развала 180 0 ).

Основные понятия.

Для сгорания топлива необходим кислород, поэтому топливо смешивают с воздухом. Смесь, состоящую из распыленного топлива с воздухом в определенной весовой пропорции, называют горючей смесью. Последняя в цилиндре работающего двигателя перемешивается с остаточными газами, образуя рабочую смесь.

Если в двигателях топливо с воздухом смешивается в специальном приборе — карбюраторе, то такие двигатели называют карбюраторными. Горючая смесь в них воспламеняется от электрической искры. В дизельных двигателях горючая смесь образуется внутри цилиндра и самовоспламеняется от теплоты сжатого воздуха. Карбюраторные двигатели

устанавливают главным образом на автомобилях малой и средней грузоподъемности, а также на тракторах для пуска основных двигателей. В качестве основных двигателей на современных тракторах и автомобилях большой грузоподъемности применяют дизельные двигатели, или дизели.

Принцип работы дизельного двигателя рассмотрим на примере упрощенной схемы (рис. 6).

Рис. 6(1). Схема дизельного одноцилиндрового двигателя:

1 — головка цилиндра, 2 — коромысло, 3 — форсунка, 4 — выпускной клапан, 5 — впускной клапан, 6 — цилиндр, 7 — поршень, 8 — поршневой палец, 9 — шатун, 10 — маховик, 11 — картер, 12 — коленчатый вал, 13 — шестерня привода распределительного вала, 14 — распределительный вал, 15 — топливный насос, 16 — передаточные детали, 17 — воздухоочиститель

В цилиндре 6 помещен поршень 7. Поршень шатуном 9 соединен с коленчатым валом 12. Если поршень перемещать в цилиндре вверх и вниз, то прямолинейное движение его преобразуется через шатун и кривошип во вращательное движение коленчатого вала. На конце коленчатого вала закреплен маховик 10, он необходим для равномерности вращения вала при работе двигателя. Цилиндр плотно закрыт сверху головкой 1. В головке цилиндра имеются два клапана. Впускной клапан 5 открывает отверстие канала для впуска воздуха в цилиндр. Выпускной клапан 4 открывает отверстие для выпуска отработавших газов. Клапаны закрываются клапанными пружинами, а открываются с помощью коромысел 2, перемещаемых через передаточные детали 16 распределительным (кулачковым) валом 14. Распределительный вал и вал топливного насоса (у дизельного двигателя) приводятся во вращение шестернями 13 от коленчатого вала. У дизельного двигателя топливо в цилиндр поступает через форсунку 3 от топливного насоса.

На рис. 6 рассмотрена схема дизельного одноцилиндрового двигателя. Карбюраторный двигатель отличается от дизельного тем, что через впускной канал закрываемый клапаном 5 в цилиндр засасывается горючая смесь, а вместо форсунки 3 в головке цилиндра установлена свеча зажигания.

Основные определения.

Поршень, свободно перемещаясь в цилиндре, занимает два крайних положения (рис. 7). Крайнее верхнее положение поршня называют верхней мертвой точкой (ВМТ), а крайнее нижнее — нижней мертвой точкой (НМТ). Расстояние, пройденное поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня. За один ход поршня коленчатый вал повернется на пол-оборота.

Рис. 7(2). Положения поршня в мертвых точках: а — верхнее, б — нижнее

Пространство между головкой цилиндра и поршнем, расположенным верхней мертвой точке, называют камерой сгорания, или камерой сжатия. Пространство, освобождаемое поршнем при перемещении его из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку, называют рабочим объемом цилиндра (V):

,

где — диаметр цилиндра, дм;

— ход поршня, дм.

Объем цилиндра измеряется в литрах. Рабочий объем всех цилиндров двигателя называют литражом. При малых объемах (до 1л) он выражается в кубических сантиметрах, а при больших объемах — в литрах.

Объем камеры сгорания и рабочий объем в сумме составляют полный объем цилиндра. Число, показывающее, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания, называют степенью сжатия. В современных карбюраторных двигателях степень сжатия колеблется в пределах 6 — 9, а в дизельных достигает 15—20.

При работе двигателя в его цилиндре происходит рад процессов. Вначале цилиндр заполняется горючей смесью или воздухом. Затем горючая смесь или воздух сжимаются. После воспламенения смесь топлива с воздухом сгорает, и образовавшиеся газы расширяются, давят на поршень, перемещают его, производя механическую работу. Затем отработавшие газы выходят из цилиндра. Перечисленные процессы, повторяющиеся в определенной последовательности, составляют рабочий цикл двигателя.

Рабочие циклы двигателей

Процесс (часть цикла), который происходит в цилиндре за один ход поршня, называют тактом. Двигатель, у которого рабочий цикл происходит за четыре хода поршня, называется четырехтактным.

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя.

Рассмотрим, что происходит в одном из цилиндров работающего двигателя

1-й такт — впуск (рис. 8, а). Поршень перемещается с помощью шатуна коленчатым валом вниз и, действуя подобно насосу, создает разрежение в цилиндре. Через открытый впускной клапан цилиндр заполняется чистым воздухом под влиянием разности давлений Выпускной клапан закрыт. В конце такта впускной клапан закрывается.

В начале работы двигателя коленчатый вал приводят во вращение посторонним источником энергии, например электрическим стартером или пусковым двигателем. В конце такта впуска давление в цилиндре в среднем составляет 0,08— 0,095 МПа, а температура 30—50°С.

2-й такт—сжатие (рис. 8, б). Поршень, продолжая движение, с помощью

коленчатого вала, перемещается вверх. Поскольку оба клапана закрыты, поршень сжимает воздух. Температура воздуха при сжатии повышается Благодаря высокой степени сжатия в дизельном двигателе давление в цилиндре повышается до 4 МПа, а воздух нагревается до температуры 600°С. В конце такта сжатия через форсунку в цилиндр впрыскивается порция дизельного топлива в мелкораспыленном состоянии.

3-й такт — рабочим ход, или расширение (рис: 8, в). Мелкие частицу топлива, соприкасаясь с нагретым сжатым воздухом, самовоспламеняются Подача топлива через форсунку и горение его продолжается некоторое время после того, как поршень пройдет ВМТ. Благодаря задержке самовоспламенения топливо в основном сгорает во время этого такта. Оба клапана при рабочем ходе закрыты. Температура газов при сгорании достигает 2000°С, давление повышается до 8 МПа. Под большим давлением расширяющихся газов поршень перемещается вниз и передает воспринимаемое им усилие через шатун на коленчатый вал, заставляя его производить механическую работу.

Читать еще:  Kayo 140 схема двигателя

Рис. 8(3). Схема работы одноцилиндрового двигателя: а — первый такт (впуск), б — второй такт (сжатие), в — третий такт (рабочий ход), г — четвертый такт (выпуск)

4-й такт—выпуск (рис. 8, г). Поршень перемещается вверх, а выпускной

клапан открывается Отработавшие газы сначала под действием избыточного давления, а затем поршня удаляются из цилиндра. После перехода поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, а впускной клапан открывается, и рабочий цикл повторяется.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя.

В отличие от дизельного у карбюраторного двигателя воздух и топливо поступают в цилиндр одновременно в виде горючей смеси, приготовленной карбюратором.

Каждый из тактов четырехтактного карбюраторного двигателя, так же как и дизельного, характеризуется положением клапанов и направлением движения поршня. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя протекает следующим образом.

Впуск — поршень перемещается в вниз. Впускной клапан открыт. Вследствие разрежения внутрь цилиндра через впускной канал поступает горючая смесь, которая перемешивается с остаточными газами, в результате чего образуется рабочая смесь.

Сжатие — поршень движется вверх. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Объем над поршнем уменьшается, и рабочая смесь сжимается, благодаря чему улучшается испарение и перемешивание паров бензина с воздухом. К концу такта давление достигает 1,0 —1,2 МПа, а температура — 350. — 400°С,

Рабочий ход — сгорание и расширение. Оба клапана закрыты. В конце

такта сжатая рабочая смесь воспламеняется искрой. Поршень под давлением расширяющихся газов перемещается от ВМТ к НМТ. Давление газов достигает 2,5—4,0 МПа, а температура доходит до 2000°С.

Выпуск — поршень движется вверх. Открыт выпускной клапан. Отработавшие газы выходят через выпускной канал наружу.

Дизельные двигатели по сравнению с карбюраторными более экономичны. Вследствие высокой степени сжатия они расходуют на 25% меньше топлива (на единицу произведенной работы).

Дизельные двигатели работают на тяжелых сортах топлива, которое менее опасное в пожарном отношении.

Однако дизельным двигателям свойственны и некоторые недостатки:

— они более массивны, поскольку высокое давление газов в цилиндре требует увеличения прочности деталей;

— их труднее запускать, особенно в зимнее время, чем карбюраторные.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя (рис. 9)

В двухтактном двигателе отсутствуют клапаны. Впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов у пускового двигателя осуществляется через окна в цилиндре, которые своевременно открываются и закрываются движущимся поршнем.

Рис. 9(4). Схема работы двухтактного двигателя: а — первый такт, б — конец первого и начало второго такта, в — конец второго такта; 1 — свеча зажигания, 2 — поршень, 3 — выпускное окно цилиндра, 4 — карбюратор, 5 — впускное окно цилиндра, 6 — кривошипная камера, 7- продувочный канал, 8 — цилиндр, 9 — выхлопная труба, 10 — картер

При движении вверх поршень 2 (рис. 9, а) перекрывает выпускные окна 3 в цилиндре, в результате чего над поршнем происходит сжатие рабочей смеси. Одновременно под поршнем создается разрежение, и из карбюратора 4 через впускные окна 5 цилиндра горючая смесь засасывается в кривошипную камеру 6.

При подходе поршня к верхней мертвой точке в свече зажигания 1 (рис. 9, б) образуется электрическая искра и рабочая смесь в цилиндре воспламеняется. На этом заканчивается первый такт.

Под давлением образовавшихся от сгорания рабочей смеси газов поршень

перемещается вниз, совершая рабочий ход, который происходит до тех пор, пока откроются выпускные окна и начнется выпуск, отработавших газов через выпускную трубу наружу. При движении поршня вниз горючая смесь в кривошипной камере сжимается. В конце второго такта поршень открывает окно продувочного канала 7, и горючая смесь нагнетается из кривошипной камеры в цилиндр, вытесняя из него отработавшие газы (рис. 9, в). Происходит продувка и одновременно наполнение цилиндра свежей горючей смесью. При этом горючая смесь частично выходит вместе с отработавшими газами. Таким образом, за два хода поршня (два такта) совершается полный рабочий цикл.

Двигатели с описанным рабочим процессом называют двигателями с кривошипно-камерной продувкой. Эти двигатели по конструкции и в эксплуатации проще, чем четырехтактные. Их работа протекает более равномерно потому, что рабочий ход происходит при каждом обороте коленчатого вала. Однако двухтактные двигатели менее экономичны, чем

четырехтактные. При продувке через выпускные окна теряется 30% горючей смеси. Поэтому двухтактные карбюраторные двигатели используют при кратковременной работе для запуска дизельного двигателя трактора.

Что такое рабочий цикл двигателя автомобиля

Существует несколько различных типов двигателей, при этом на колесном, гусеничном, водном и даже иногда воздушном транспорте (грузовые и легковые авто, спецтехника, моторные лодки, самолеты и т.п.), нередко можно встретить двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

Двигатели внутреннего сгорания бывают бензиновыми и дизельными, также могут успешно работать на газу и даже на водороде (водородный двигатель внутреннего сгорания). Еще моторы отличаются по конструкции, компоновке, бывают двухтактными и четырехтактными.

Так или иначе, широкое распространение силовой агрегат данного типа получил благодаря своей автономности, универсальности, а также целому ряду других преимуществ. При этом агрегаты имеют много различных параметров и характеристик, среди которых стоит отдельно выделить рабочий цикл. Далее мы поговорим о том, что означает рабочий цикл автомобильного двигателя внутреннего сгорания.

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.

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 коленчатый вал делает один оборот, такой двигатель является двухтактным.

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 впускной клапан, а выпускной клапан 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 свече зажигания). 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 шатун энергия передается на КШМ, 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 выпускной коллектор.

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).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector