Во время какого из тактов двигатель совершает полезную

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.

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.

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.

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.

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.

Рабочий цикл дизельного двигателя принципиально отличается от цикла карбюраторного двигателя тем, что рабочая смесь (смесь топлива, воздуха и остаточных продуктов сгорания) приготовляется внутри цилиндра, поскольку воздух подается в цилиндр отдельно, а топливо отдельно – через форсунку. В дизельном двигателе нет специального устройства для поджигания рабочей смеси – она самовозгорается в результате высокой степени сжатия.
Т. е. в дизеле, в отличие от карбюраторного двигателя, через впускной клапан подается не горючая смесь, а атмосферный воздух, а топливо впрыскивается через форсунку в конце такта сжатия. В цилиндре, как и в случае с карбюраторным двигателем, остаются продукты сгорания рабочей смеси, которые не удалось удалить продувкой.
Смесеобразование (перемешивание воздуха, топлива и остаточных продуктов сгорания) в дизеле протекает внутри цилиндра, что и обуславливает основные отличия череды тактов, составляющих рабочий цикл.

Высокая степень сжатия приводит к тому, что поступивший в цилиндр через впускной клапан воздух, смешивается с остаточными газами и раскаляется (в буквальном смысле этого слова) до высоких температур. И в это время в цилиндр впрыскивается топливо, которое вспыхивает и начинает гореть.

Рабочие процессы в дизельном двигателе протекают в следующей последовательности (рис. 2) :

В период такта впуска поршень 2 движется от НМТ к ВМТ. При этом впускной клапан 5 открыт, выпускной клапан 6 закрыт. В цилиндре 7 из-за разности давлений в окружающей среде и в цилиндре в конце такта впуска возникает разрежение 0,08. 0,09 МПа, при этом температура внутри цилиндра не превышает 40…70 ˚С.

В процессе такта сжатия оба клапана закрыты. Поршень 2 движется от НМТ к ВМТ, сжимая смесь воздуха и отработавших газов. Давление в конце такта сжатия достигает 3…6 МПа, а температура – 450…650 ˚С (превышает температуру самовоспламенения топлива).

При подходе поршня к ВМТ, в цилиндр через форсунку 3 впрыскивается распыленное жидкое топливо. Топливо подается к форсунке (через трубку высокого давления) топливным насосом 1 высокого давления (ТНВД). Форсунка обеспечивает тонкое распыление топлива в сжатом воздухе. Распыленное топливо самовоспламеняется и сгорает. В результате сгорания температура в цилиндре достигает 1600…1900 ˚С, давление – 6…9 МПа.

При подходе к нижней мертвой точке (НМТ) выпускной клапан 6 открывается и большая часть отработавших газов под воздействием высокого давления вырывается из цилиндра в атмосферу. Поршень начинает перемещение от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан выталкивает оставшиеся в цилиндре отработавшие газы в окружающую среду. К концу такта давление газов в цилиндре составляет 0,11…0,12 МПа, а температура – 600. 700 ˚С.
Далее рабочий цикл повторяется.

Таким образом, в четырехтактном двигателе только один такт – рабочий ход является полезным с точки зрения совершения полезной работы, остальные три вспомогательные, они осуществляются за счет кинетической энергии маховика, закрепленного на конце коленчатого вала.

В двухтактных ДВС рабочий цикл осуществляется за один оборот коленчатого вала.
Схема двухтактного дизеля представлена на рис. 3 .
Воздух насосом 3 нагнетается через впускное (продувочное) окно 4 в цилиндр. В нижней части цилиндра напротив впускного окна имеется выпускное окно 7. В головке 5 блока цилиндра установлены форсунки 6.

Первый такт (рис. 3, а) совершается при движении поршня от НМТ к ВМТ за счет кинетической энергии маховика двигателя. Оба окна открыты. Нагнетаемый через впускное окно 4 воздух вытесняет из цилиндра оставшиеся в нем отработавшие газы, которые выходят через выпускное окно 7. Таким образом происходит очистка цилиндра от отработавших газов (продувка) и заполнение его свежим зарядом.

Движущийся вверх поршень 8 сначала закрывает впускное окно, а затем выпускное окно. С этого момента начинается процесс сжатия, в конце которого через форсунку 6 впрыскивается топливо.
Таким образом, за первую половину оборота коленчатого вала совершаются процессы наполнения и сжатия, и начинается сгорание топлива.

Второй такт (рис. 3. б) происходит при движении поршня ВМТ к НМТ. В результате выделения теплоты при сгорании топлива повышается температура и давление внутри цилиндра. Поршень перемещается вниз, совершая полезную работу.
Как только поршень открывает выпускное окно, отработавшие газы под давлением начинают выходить в окружающую среду. К моменту открытия впускного окна давление внутри цилиндра снижается на столько, что возможна очистка цилиндра путем вытеснения отработавших газов свежим зарядом воздуха, подаваемым в цилиндр насосом 3.
Этот процесс называется продувкой цилиндра. При этом одновременно с вытеснением отработавших газов происходит наполнение цилиндра свежим зарядом. Далее все процессы повторяются в той же последовательности.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя аналогичен рабочему циклу двухтактного дизеля. Отличие состоит в том, что в цилиндр поступает не чистый воздух, а горючая смесь, и в конце процесса сжатия в цилиндре посредством свечи зажигания подается искра, в результате чего происходит воспламенение горючей смеси.

Одним из преимуществ двухтактного двигателя по сравнению с четырехтактным является то, что каждый рабочий ход здесь протекает в период одного оборота коленчатого вала, а не двух. Очевидно, что снижение количества тактов должно привести к повышению КПД из-за уменьшения паразитических процессов . А поскольку в четырехтактном двигателе за два оборота коленчатого вала протекают четыре такта, из которых полезным является лишь такт рабочего хода (т. е. остальные три такта являются паразитическими), то естественно предположить, что КПД четырехтактного двигателя должен быть ниже, чем КПД четырехтактного двигателя.

Существенными недостатками двухтактных двигателей является их низкая топливная экономичность и меньший срок службы по сравнению с четырёхтактными двигателями. Объясняется этот недостаток тем, что при продувке цилиндра (или цилиндров) свежая горючая смесь частично удаляется вместе с отработавшими газами, поскольку, в отличие от четырехтактного двигателя, выпуск и впуск газов протекает одновременно.
Этими недостатками, а также большей токсичностью отработавших газов объясняется ограниченное применение двухтактных двигателей на автомобилях.

источник

На автомобилях устанавливают поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри цилиндра. В основу их действия положено свойство газов расширяться при нагревании. Рассмотрим принцип устройства и работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а также его рабочие циклы.

? Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

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.

Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

• Принцип работы ДВС (для просмотра нажмите на кнопку иллюстрации — Фото 2-5

Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней и нижней «мертвыми» точками (ВМТ и НМТ). Подробнее в статье «как устроены бензиновые и дизельные двигатели».

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 — 1200оС.

Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.

? Рабочий цикл четырехтактного дизеля

В отличие от бензинового двигателя, при такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600оС. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

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 — 900оС.

Выпуск. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700оС. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

? Принцип работы многоцилиндровых двигателей

На автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени).

Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Это означает, что после рабочего хода в первом цилиндре следующий рабочий ход происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.

• Диаграмма работы двигателя по схеме 1-2-4-3 Фото 6

Многоцилиндровые двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях цилиндры расположены вертикально, а в V-образных — под углом. Последние характеризуются меньшей габаритной длиной по сравнению с первыми. Современные восьмицилиндровые двигатели выполняют двухрядными с V-образным расположением цилиндров.

источник

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 работают, как правило, 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. 1.3) рабочий цикл происходит следующим образом.

Рис. 1. Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя

Такт впуска. Поршень находится в в.м.т. и по мере вращения коленчатого вала (за один его полуоборот) перемещается от в.м.т. к н.м.т. При этом впускной клапан открыт, а выпускной клапан закрыт. При движении поршня вниз объем над ним увеличивается, поэтому в цилиндре создается разряжение, равное 0,07—0,095 МПа, в результате чего свежий заряд горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной трубопровод в цилиндр.

От соприкосновения свежего заряда с нагретыми деталями в конце такта впуска он имеет температуру 75—125 °С.

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. 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 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—1,5 МПа, а температура газов 300— 450 °С.

Такт расширения, или рабочий ход. В конце такта сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи, и быстро сгорает, в результате чего температура и давление образующихся газов резко возрастают, 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 такте расширения шарнирно связанный с поршнем шатун 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. Коленчатый вал через шатун перемещает поршень от н.м.т. к в.м.т. При этом выпускной клапан открыт и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной трубопровод. 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.

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 рабочие процессы происходят следующим образом.

Такт впуска. При движении поршня от в.м.т. к н.м.т. вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра 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. Поршень движется от н.м.т. к в.м.т. Впускной 5 и выпускной 6 клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень 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. При подходе поршня к в.м.т. в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом. 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 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. 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.

Показатели работы двигателя. Работа, совершаемая газами в единицу времени внутри цилиндра двигателя, называется индикаторной мощностью.

Рис. 2. Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Мощность, получаемая на коленчатом валу двигателя, называется эффективной мощностью. Она меньше индикаторной на значение мощности, затрачиваемой на насосные потери и на трение в криво-шипно-шатунном и газораспределительном механизмах двигателя, а также на приведение в действие вентилятора, жидкостного насоса и других вспомогательных устройств.

Таким образом, эффективная мощность меньше, чем индикаторная мощность, из-за механических потерь, расходуемых в механизмах и системах двигателя. На основании этого механическим к.п.д. (коэффициентом полезного действия) двигателя называют отношение эффективной мощности к индикаторной.

Механический к.п.д. карбюраторных двигателей составляет 0,70— 0,85, а дизелей — 0,73—0,87.

Мощностные показатели двигателя в значительной мере определяются количеством теплоты, превращенным в полезную работу. Степень использования теплоты, введенной в двигатель с топливом, оценивают эффективным к.п.д., который представляет собой отношение количества теплоты Qe, превращенной в эффективную работу, к количеству теплоты Qt, выделившейся в результате сгорания

Рис. 3. Схемы компоновки цилиндров двигателей

Дизель. Рассмотрим процесс протекания каждого такта в цилиндре дизеля (рис. 7).

Первый такт — впуск. Цилиндр заполняется воздухом, кислород которого обеспечивает сгорание топлива. Чем больше воздуха поступает в цилиндр, тем большее количество топлива можно сжечь в нем и тем выше будет давление газов на поршень при рабочем ходе (увеличивается мощность).

Во время впуска поршень движется вниз, впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. Воздух, поступающий в цилиндр, нагревается при смешивании с горячими остаточными газами и от нагретых деталей работающего дизеля.

К концу первого такта температура воздуха достигает 40… 60 °С, и его плотность уменьшается. Кроме того, при движении он встречает сопротивление во впускных каналах дизеля. По этим причинам давление в цилиндре оказывается ниже атмосферного (0,08… 0,09 МПа).

Второй такт — сжатие. Поршень перемещается вверх, оба клапана закрыты. Под действием поршня воздух сжимается в 15…17 раз (степень сжатия е=15… 17) и при этом нагревается. Давление в конце сжатия доходит до 3…4 МПа, а температура — до 550…600 °С, что значительно превышает температуру самовоспламенения топлива.

Третий такт — расширение. Перед самым окончанием такта сжатия, когда поршень почти дошел до в. м.т., в цилиндр через форсунку впрыскивается порция топлива. Большая часть его сразу же воспламеняется и сгорает. Температура газов повышается до 2000…2100 °С, а давление — до 5,5…8,0 МПа. Под таким давлением расширяющихся газов поршень перемещается вниз и через шатун проворачивает коленчатый вал. В процессе расширения сгорает остальная часть впрыснутого топлива. По мере перемещения поршня давление газов в цилиндре падает, а температура уменьшается. К концу третьего такта давление снижается до 0,2…0,3 МПа, а температура — до 600…650 °С.

Четвертый такт — выпуск. Впускной клапан закрыт, а выпускной открыт. Из цилиндра выталкиваются отработавшие газы. Давление оставшихся газов падает до 0,11…0,12 МПа. Температура отработавших газов в месте выхода из цилиндра составляет 400…500 °С.

Далее рабочий цикл повторяется.

Карбюраторный двигатель. Подобным образом рассмотрим рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя.

Такт впуска. Выпускной клапан закрыт, а впускной открыт. При движении поршня от в. м. т. вниз цилиндр заполняется смесью топлива с воздухом. Такая смесь приготовляется в специальном приборе — карбюраторе и называется горючей смесью. Поступая в цилиндр, она перемешивается с остаточными газами, в результате чего образуется рабочая смесь.

Давление рабочей смеси в цилиндре при такте впуска из-за сопротивления в карбюраторе ниже, чем в цилиндре дизеля, и составляет 0,07…0,08 МПа. Температура рабочей смеси повышается 60…120 °С в основном за счет высокой температуры остаточных газов.

Такт сжатия. При этом такте, как и в дизеле, рабочая смесь, сжимаясь, нагревается. С увеличением степени сжатия растет давление и температура смеси, а также скорость ее сгорания. В результате повышается экономичность и мощность двигателя. Но при повышенной температуре возникает опасность преждевременного воспламенения (самовоспламенения) смеси. Чтобы избежать этого, рабочую смесь сжимают незначительно (е=4…8). Давление в цилиндре в конце такта сжатия — 0,9…1,2 МПа, а температура не превышает температуры самовоспламенения, доходя лишь до 330 °С.

Такт расширения. Перед окончанием такта сжатия между электродами искровой свечи зажигания проскакивает электрический заряд. Искра воспламеняет рабочую смесь. Температура горящих газов доходит до 2500 °С, а давление повышается до 3,0…4,5 МПа. Под действием силы давления газов поршень перемещается вниз. К концу . третьего такта давление снижается до 0,3…0,4 МПа, а температура — до 900…1200 °С.

Такт выпуска происходит так же, как в дизеле, но при несколько более высокой температуре газов.

Сравнительная оценка дизеля и карбюраторного двигателя.

По сравнению с карбюраторным (бензиновым) двигателем дизель имеет следующие преимущества:
— дизель экономичнее: на единицу выполненной работы вследствие высокой степени сжатия он расходует на 25% меньше топлива;
— топливо, на котором работает дизель, менее опасно в пожарном отношении и оказывает меньшее коррозионное действие на детали, чем бензин.

Недостатки дизеля:
— из-за высокого давления газов в цилиндрах, корпус и другие детали, работающие со значительными нагрузками, тяжелее и имеют большие размеры;
— для пуска дизеля требуется более мощный стартер или специальный карбюраторный пусковой двигатель;
— дизель работает со значительным избытком воздуха, поэтому размеры цилиндров и других деталей и сборочных единиц увеличены.

источник

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.

Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

• Как устроен двигатель внутреннего сгорания?

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.

Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.

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. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700 о С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

На автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени).

Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Это означает, что после рабочего хода в первом цилиндре следующий рабочий ход происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.

Диаграмма работы двигателя по схеме 1-2-4-3

источник

Принципы работы простейшего двигателя внутреннего сгорания

В этой статье будут рассмотрены принципы работы простейшего одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. Этот двигатель взят для простоты понятия физических процессов, для того чтобы понять, как работают все подобные двигатели. На самом деле всё намного сложнее каждый процесс имеет столько особенностей, что и у специалистов, хорошо знающих работу двигателя, часто возникают споры по многим вопросам. Но все бензиновые двигатели (двигатели с принудительным зажиганием) работают на основе принципов, впервые описанных немецким инженером Отто.

Двигатель нужен для обеспечения автомобиля (если это не стационарный двигатель) механической энергией. Двигатель создаёт эту энергию. Но из школьного курса физики известно, что энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Что же является источником механической энергии, вырабатываемой двигателем, какую энергию он преобразует в механическую? Источником энергии двигателя внутреннего сгорания является энергия межмолекулярных связей углеводородного топлива, сгорающего в цилиндрах двигателя. Во время сгорания углеводородного топлива происходит разрыв этих связей с большим выделением тепловой энергии, которую двигатель и преобразует в механическую энергию в форме вращательного движения.

Для химических реакций, происходящих при сгорании топлива, требуется окислитель. Для этого используется кислород, содержащийся в окружающем атмосферном воздухе. Воздух это смесь газов, кислорода в этой смеси приблизительно 21%. В цилиндрах двигателя сгорает смесь топлива с воздухом. В идеальном случае все молекулы углеводородов, поданные в цилиндр, сгорая, соединяются со всеми молекулами кислорода, поданными в цилиндр во время одного рабочего цикла. То есть после процесса сгорания в цилиндре двигателя не должно остаться не одной молекулы топлива, и не одной свободной молекулы кислорода.

Химические реакции, во время которых полностью используются все активные вещества, называются стехиометрическими. Во время стехиометрического процесса для полного сгорания всех молекул 1-го килограмма топлива необходимо использовать приблизительно 14,7 килограммов воздуха. Это идеальный процесс, но реально при работе двигателя на различных режимах обеспечить его достаточно трудно, тем более что на некоторых режимах двигатель будет работать устойчиво, только если смесь отличается от стехиометрической.

Разобравшись, откуда берётся механическая энергия, приступим к изучению принципов работы двигателя. Как уже было отмечено ранее, здесь будет рассматриваться работа четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу Отто. Основным признаком цикла Отто можно назвать то, что перед воспламенением топливовоздушная смесь предварительно сжимается, а зажигание смеси происходит от постороннего источника – в современных двигателях только при помощи электрической искры.

За время становления и развития двигателя внутреннего сгорания было изобретено очень много различных конструкций и, разумеется, двигатель, работающий на принципах цикла Отто, был далеко не единственный. Из двигателей с возвратной поступательным движением поршня можно назвать двигатель, работающий по циклу Аткинсона, а из двигателей с круговым движением поршня наиболее известен роторно-поршневой двигатель Ванкеля. Существует большое количество вообще экзотических конструкций. Но все они не получили широкого практического применения. Более 99,9% используемых в настоящее время двигателей внутреннего сгорания работают по циклу Отто, (в данной статье сюда будут отнесены и дизельные двигатели) которые в свою очередь подразделяются на двигатели с электрическим воспламенением смеси и дизельные двигатели, с компрессионным воспламенением смеси.

Принципы работы таких двигателей и будут рассмотрены в этой статье.

И бензиновые и дизельные двигатели могут быть не только четырёхтактными, но и двухтактными. В настоящее время двухтактные двигатели на автомобиле не применяются, поэтому в данной главе они рассматриваться не будут.

Прежде чем рассматривать принципы работы двигателя рассмотрим, из каких основных деталей он состоит.

Основные детали простейшего ДВС

1. Цилиндр.
2. Поршень.
3. Камера сгорания.
4. Шатун.
5. Коленчатый вал.
6. Впускной канал.
7. Впускной клапан.
8. Впускной распределительный вал.
9. Выпускной канал.
10. Выпускной клапан.
11. Выпускной распределительный вал.
12. Свеча зажигания.
13. Топливная форсунка (не показана).
14. Маховик двигателя (не показан).

1. Цилиндр – основа двигателя, именно в нём происходит процесс сгорания топлива, цилиндр является направляющим элементом для движения поршня.

2. Поршень – деталь, перемещающаяся в цилиндре под воздействием расширяющихся газов или под воздействием кривошипно-шатунного механизма. Условно примем, что скользящее соединение, между поршнем и стенками цилиндра абсолютно герметично, то есть, ни какие газа не могут просочиться через это соединение.

3. Камера сгорания – пространство над поршнем, когда поршень находится в самой верхней точке своего хода (ВМТ).

4. Шатун – это стержень, передающий усилие от поршня к кривошипу коленчатого вала и, наоборот, от коленчатого вала к поршню.

5. Коленчатый вал – служит для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное, именно такое движение наиболее удобно для использования.

6. Впускной канал – канал, по которому топливовоздушная смесь поступает в цилиндр двигателя.

7. Впускной клапан – соединяет впускной канал с цилиндром двигателя. Условно принимаем, что в закрытом состоянии клапан полностью герметичен, а в открытом состоянии он не оказывает сопротивление проходу топливовоздушной смеси в цилиндр двигателя.

8. Впускной распределительный вал – открывает и закрывает впускной клапан в нужное время.

9. Выпускной канал – канал, по которому отработавшие газы выводятся из двигателя в атмосферу.

10. Выпускной клапан – соединяет выпускной канал с цилиндром двигателя. Условно принимаем, что в закрытом состоянии клапан полностью герметичен, а в открытом состоянии он не оказывает сопротивление проходу отработавших газов из цилиндра двигателя.

11. Выпускной распределительный вал – открывает и закрывает выпускной клапан в нужное время.

12. Свеча зажигания – служит для воспламенения сжатой топливовоздушной смеси в необходимое время.

13. Топливная форсунка – служит для распыления топлива в воздухе, поступающем в цилиндр двигателя.

14. Маховик двигателя – служит для необходимого перемещения поршня за счёт сил инерции во время всех тактов, кроме рабочего.

Далее придётся понять и запомнить довольно много специальных терминов, но сейчас упомянем, без полного объяснения, только некоторые.

1 — Верхняя мёртвая точка (ВМТ) – точка в которой поршень останавливается при изменении направления своего движения вверх цилиндра на движение вниз.

2 — Нижняя мёртвая точка (НМТ) – точка в которой поршень останавливается при изменении направления своего движения вниз цилиндра на движение вверх.

3 — Ход поршня – расстояние, проходимое поршнем при перемещении от ВМТ к НМТ или наоборот.

4 — Такт двигателя – перемещение поршня от одной мёртвой точки к другой. Во время каждого такта коленчатый вал двигателя совершает половину оборота (180?).

5 — Цикл – периодичное повторение четырёх тактов двигателя во время работы. Полный цикл двигателя состоит из четырёх тактов и совершается за два полных оборота коленчатого вала (720?).

Принципы работы простейшего одноцилиндрового четырёхтактного двигателя:

(поступления топливовоздушной смеси в цилиндр).

Впускной клапан открыт.
Выпускной клапан закрыт.

Под воздействием внешнего усилия (стартёра двигателя, заводной ручки или инерции маховика), передаваемого поршню шатуном, поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Поскольку соединение между поршнем и цилиндром полностью герметично, в пространстве над поршнем образуется пониженное давление (разрежение). Под воздействием атмосферного давления воздух через впускной канал, и открытый впускной клапан, начинает поступать в цилиндр двигателя. В это время топливная форсунка распыляет в поступающем воздухе необходимое количество топлива, в результате чего в цилиндр поступает горючая топливовоздушная смесь.

При достижении поршнем НМТ впускной клапан закрывается.

2 — Такт сжатия.

Оба клапана закрыты.

Под воздействием внешнего усилия поршень перемещается из НМТ к ВМТ. При этом в цилиндре происходит сжатие топливовоздушной смеси. По окончании такта сжатия, когда поршень встаёт в положении ВМТ, вся топливовоздушная смесь находится в сжатом состоянии в камере сгорания.

В это время свеча зажигания при помощи электрической искры воспламеняет сжатую топливовоздушную смесь. В дизельном двигателе в камеру сгорания при помощи топливной форсунки впрыскивается мелко распылённое топливо. В результате чего в обоих случаях происходит воспламенение смеси.

Оба клапана закрыты.

При сгорании топливовоздушной смеси в цилиндре резко поднимается температура и, главное, давление. Это давление равномерно давит во все стороны, но стенки камеры сгорания и цилиндра рассчитаны на это давления. А вод давление, оказываемое расширяющимися газами на поршень, днище которого является нижней частью камеры сгорания, заставляет поршень перемещаться вниз от ВМТ к НМТ. Это усилие через шатун передаётся на кривошип коленчатого вала, который преобразует поступательное движение поршня во вращательное движение.

При достижении поршнем НМТ открывается выпускной клапан.

4 — Такт выпуска.

Впускной клапан закрыт.
Выпускной клапан закрыт.

Под воздействием внешнего усилия, передаваемого на поршень через шатун, поршень перемещается из положения НМТ в положение ВМТ. Во время этого перемещения поршень вытесняет из цилиндра отработавшие газы через открытый выпускной клапан в выпускной канал и далее в атмосферу.

И так, мы рассмотрели полный цикл двигателя, состоящий из четырех тактов. Далее этот цикл повторяется бесконечно, пока двигатель не будет выключен или не закончится бензин в баке автомобиля.

Наверное, Вы обратили внимание, что из четырёх тактов полезным является только один – рабочий такт. Именно во время этого такта вырабатывается необходимая энергия. Все другие такты являются вспомогательными. Возможно, такая конструкция может показаться не эффективной, но лучшего, по всем показателям, пока ничего не изобретено. Да, существуют двухтактные двигатели, в которых полный цикл осуществляется за один поворот коленчатого вала. Существует роторно-поршневой двигатель Ванкеля, в котором вообще нет деталей, совершающих возвратно-поступательное движение, но этим конструкциям, при некоторых преимуществах, присущи свои недостатки, поэтому двигатели, работающие по четырёхтактному циклу Отто, в настоящее время имеют практически монопольное распространение в мире. И какой-либо замены им, в обозримом будущем, реально не предвидится.

Двигатель, изобретённый немецким изобретателем Рудольфом Дизелем, очень похож и по конструкции и принципам работы на двигатель, работающий на бензине, описанный ранее. Но есть одно существенное различие. В этом двигателе воспламенение топливовоздушной смеси происходит не при помощи электрической искры, а за счёт контакта топлива с горячим воздухом находящемся в цилиндре. Такое воспламенение рабочей смеси называется компрессионным зажиганием. А откуда в цилиндре взялся горячий воздух, где его подогрели? Разумеется, никто его нарочно не грел. Если Вам когда-либо приходилось накачивать ручным насосом шину велосипеда, или автомобиля, вы могли обратить внимание, что довольно быстро насос начинает нагреваться. И вообще из школьного курса физики известно, что при сжатии все газы нагреваются, а воздух есть ничто иное, как смесь газов. Сжатие воздуха в двигателе происходит очень быстро, поэтому к концу такта сжатия воздух, находящийся в цилиндре дизельного двигателя, имеет очень высокую температуру (700 ? 900?С).

Поскольку физический процесс немного отличается от описанного ранее бензинового двигателя, в конструкции дизельного двигателя имеются некоторые отличия. Главное отличие в более высокой степени сжатия. У дизельного двигателя отсутствует свеча зажигания, вместо неё непосредственно в головку блока цилиндров вставлена топливная форсунка, разумеется, во впускном канале топливная форсунка отсутствует. В отличие от бензинового двигателя, в цилиндры которого во время такта всасывания поступает смесь бензина с воздухом, цилиндры дизельного воздуха поступает чистый воздух. При достижении поршнем ВМТ во время такта сжатия, в камере сгорания дизельного двигателя находится сжатый воздух, имеющий высокую температуру. И в то время, когда в бензиновом двигателе происходит воспламенение смеси при помощи электрической свечи, в камеру сгорания дизельного двигателя под большим давлением впрыскивается мелко распылённое дизельное топливо. Соприкасаясь с горячим воздухом, находящимся в камере сгорания, топливо воспламеняется.

Запомните основные отличия дизельного двигателя от бензинового.

1 – Топливо в дизельном двигателе воспламеняется не при помощи электрической искры, а за счёт контакта топлива с воздухом, имеющим высокую температуру.

2 – Регулировка крутящего момента и мощности двигателя осуществляется за счёт изменения качества, а не количества топливовоздушной смеси, поэтому в дизельном двигателе отсутствует дроссельная заслонка, регулирующая количество поступающего в цилиндры двигателя воздуха. То есть крутящий момент изменяется количеством впрыскивания топлива без изменения объёма всасываемого воздуха.

Не путайте дизельный двигатель с современными бензиновыми двигателями, с непосредственным впрыском. В этих двигателях топливная форсунка перенесена из впускного канала на головку двигателя, но не вместо свечи зажигания, а установлена совместно с ней. В этом случае топливная форсунка впрыскивает топливо непосредственно в цилиндр. Топливовоздушная смесь в таком двигателе воспламеняется не при помощи компрессионного зажигания, а при помощи электрической искры. А имеющаяся во впускном тракте дроссельная заслонка регулирует количество воздуха, поступающего в цилиндр.

Мы рассмотрели принципы работы простейшего одноцилиндрового двигателя, поняли, как возникает необходимая нам механическая энергия, но для простоты объяснения пришлось прибегнуть очень ко многим упрощениям. Например, клапаны открываются или закрываются не точно в ВМТ или НМТ. Свеча бензинового двигателя воспламеняет смесь или топливная форсунка дизельного двигателя нагнетает топливо в цилиндр не совсем точно при нахождении поршня в ВМТ. Да и двигатель, чаще всего имеет не один, а несколько цилиндров, от 1-го до 16, в автомобильной промышленности, а авиации или на флоте встречались двигатели, имеющие 64 цилиндра. Но основой любого двигателя является цилиндр.

Ранее были рассмотрены некоторые термины, имеющие отношение к цилиндру двигателя, теперь придётся их рассмотреть более подробно и познакомиться с некоторыми новыми.

Расстояние между осями коренных и шатунных шеек коленчатого вала.
Коренными называются шейки коленчатого вала, в которых вал вращается в блоке цилиндров двигателя.
Шатунными называются шейки, к которым подсоединены шатуны поршней.
Для образования кривошипа ось коренных шеек смещена относительно оси шатунных шеек.
Радиус кривошипа является очень важным конструкционным параметром двигателя. Изменяя радиус кривошипа можно подобрать необходимое соотношение между крутящим моментом и максимальными оборотами двигателя, при неизменном объёме цилиндра.
(Обычно измеряется в миллиметрах)

2. Ход поршня:
Ход поршня, то есть расстояние между НМТ и ВМТ, равен удвоенной величине радиуса кривошипа.

Это диаметр внутреннего отверстия цилиндра. Условно принимаем, что диаметр поршня равен диаметру цилиндра.
(Обычно измеряется в миллиметрах)

4. Рабочий объём цилиндра:
Рабочим объёмом цилиндра называется объём, вытесняемый поршнем при перемещении от НМТ к ВМТ.
(Обычно измеряется в кубических сантиметрах (см?) или литрах.)
Рабочий объём цилиндра равен произведению хода поршня на площадь днища поршня.

5. Объём камеры сгорания.
Это объем пространства, находящегося над поршнем, во время нахождения поршня в ВМТ.
(Обычно измеряется в кубических сантиметрах.)
Камера сгорания большинства двигателей имеет сложную форму, поэтому определить её точный объём расчётным методом сложно. Для определения объёма камеры сгорания применяются различные методы прямого измерения.

6. Полный объём цилиндра.
Это сумма объёма камеры сгорания и рабочего объёма цилиндра.
(Обычно измеряется в кубических сантиметрах или литрах.)
Полный объём многоцилиндрового двигателя равен полному объёму одного цилиндра умноженному на количество цилиндров двигателя.

7. Степень сжатия.
Это соотношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания. Другими словами это соотношение объёма цилиндра в сумме с объёмом камеры сгорания, когда поршень находится НМТ к объёму пространства, расположенному над поршнем, когда поршень находится в положении ВМТ.
(Безразмерная единица)

8. Соотношение диаметра цилиндра к величине хода поршня:
Является очень важным параметром при конструировании двигателя внутреннего сгорания. Двигатели, в которых ход поршня больше диаметра цилиндра называются длиноходными, двигатели, в которых ход поршня меньше диаметра цилиндра, называются короткоходными.

Степень сжатия это один из очень важных технических показателей двигателя внутреннего сгорания, поэтому рассмотрим его более подробно. В общем, повышение степени сжатия поднимает эффективность работы двигателя внутреннего сгорания, то есть при сгорании равного объёма топлива двигатель производит больше механической энергии. При повышенной степени сжатия молекулы топлива физически приближаются друг к другу. При этом топливовоздушная смесь имеет более высокую температуру, в результате чего достигается лучшее испарение частичек топлива и их более равномерное перемешивание с воздухом. Для каждого типа бензина имеется предельное значение степени сжатия. Чем выше октановое число бензина, тем выше степень сжатия, при которой может работать двигатель. При превышении допустимой степени сжатия и, соответственно температуры в камере сгорания, двигатель начинает работать с детонацией (самопроизвольное воспламенение смеси). Процесс детонации достаточно сложный, поэтому, на данном этапе, ограничимся пониманием, что причиной детонации является неправильное сгорание топливовоздушной смеси. При работе двигателя с детонацией резко уменьшается эффективность работы двигателя, и более того, возросшие ударные нагрузки могут привести к разрушению двигателя. Сильные стуки во время работы двигателя являются признаком детонации. Этот режим работы очень вреден для двигателя.

Современные электронные системы управления двигателем практически исключили работу двигателя с детонацией, но те, кому пришлось ездить на автомобилях с двигателями, не имеющих электронных систем управления, помнят, что режим детонации возникал довольно часто.

Раньше для повышения октанового числа бензина применялись специальные присадки на основе свинца. Применение этих присадок позволяло поднять степень сжатия до 12,5:1, но сейчас, в соответствии с законодательными нормами по охране окружающей среды, по причине того, что свинец наносит большой вред окружающей среде, применение присадок на основе свинца запрещено.

Степень сжатия современных бензиновых двигателей равна 10:1 ? 11:1. Величина степени сжатия может изменяться не только от качества предполагаемого к использованию бензина, но и от конструкции двигателя. Современные двигатели, имеющие систему управления двигателя с датчиком детонации, позволяют поднять степень сжатия до 13:1. Такие системы управления, регулируя угол опережения зажигания в каждом отдельном цилиндре, на основе информации, полученной от датчика детонации, позволяют двигателю работать на грани возникновения детонации, но не допускают её. Двигатели с непосредственным впрыском бензина в камеру сгорания из-за особенностей процессов, протекающих в цилиндре, тоже могут работать с повышенной степенью сжатия.

Поскольку воспламенение топлива в дизельных двигателях происходит за счёт нагрева воздуха, находящегося в цилиндре, степень сжатия дизельных двигателей выше, чем бензиновых. Степень сжатия дизельных двигателей лежит в диапазоне 14:1 ? 23:1.

Двигатели с принудительным нагнетанием воздуха в цилиндры (турбокомпрессор или механический нагнетатель), как бензиновые, так и дизельные, имеют более низкую степень сжатия по сравнению с атмосферными двигателями. Это вызвано тем, что перед началом такта сжатия в цилиндре находится большая масса воздуха (и топлива). Слишком высокое давление в цилиндре в конце такта сжатия может привести к разрушению двигателя.

Ранее отмечалось, что повышение степени сжатия явление, в целом, очень желательное, но в действительности всё несколько сложнее. Двигатель внутреннего сгорания, особенно автомобильный, постоянно работает на различных режимах скорости вращения и нагрузок. Научные исследования в данной области показали, что на некоторых режимах двигатель эффективней работает с более низкой степенью сжатия, а на других режимах степень сжатия может быть повышена без риска нанесения повреждений двигателю. Некоторые производители попытались создать двигатель с изменяемой во время работы степенью сжатия. Пионером в этой области, добившимся заметных результатов, был шведский производитель автомобилей SAAB . Работы в этом направлении проводились и другими производителями автомобилей. Но до настоящего времени серийные автомобили с изменяемой степенью сжатия на рынке отсутствуют. Очевидно, это будет следующим направлением повышения эффективности двигателя внутреннего сгорания.

Ранее были рассмотрены некоторые термины, определяющие геометрические показатели двигателя. Далее запомним некоторые термины, определяющие работу двигателя внутреннего сгорания, как простейшего одноцилиндрового, так более сложных двигателей.

1. Мощность двигателя.
   Измеряется в киловаттах (кВт) или в старых, для некоторых более привычных единицах измерения, лошадиных силах (л.с.)
2. Крутящий момент.
   Измеряется в ньютонах на метр (Н•м).
3. Удельная литровая мощность.
   Измеряется отношением максимальной мощности двигателя к рабочему объёму цилиндров двигателя (кВт/литр)
4. Удельная весовая мощность.
   Измеряется отношением максимальной мощности двигателя к весу двигателя (кВт/Кг).
5. Топливная эффективность.
   Измеряется массой топлива, которое необходимо потратить на выработку мощности в один киловатт в течение часа (гр/кВт*час)
6. Скорость вращения.
   В автомобилестроении, как и во многих других областях техники, скорость (частота) вращения коленчатого вала измеряется в оборотах в минуту (об/мин).

За прошедшие более чем сто лет с момента изобретения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) количество его конструкций было столь велико, что их не только описать невозможно, их просто никто даже перечислить не сможет, да и задачи такой, в общем, нет. Четко понимая общие принципы работы ДВС (кратко описанные в данной статье), можно разобраться в любой конструкции.

источник

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Автомобильные двигатели чаще всего работают по четырёхтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

В карбюраторном четырёхтактном двигателе рабочий цикл происходит следующим образом.

— Такт сжатия
Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия. Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако, для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с большим октановым числом, которое дороже.
Такт расширения, или рабочий ход

Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы сгорание топлива успело, полностью закончится к моменту достижения поршнем НМТ, то есть для наиболее эффективной работы двигателя. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором, воздействующим на прерыватель). В современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику.

Гифка наглядно демонстрирует процесс работы четырехтактного двигателя

— Такт выпуска
После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет выхлопные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, и цикл начинается сначала.

Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемещается 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 карбюраторных двигателей коэффициент остаточных газов находится в пределах 0,06-0,12.

По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными.

Рабочий цикл дизельного двигателя
Рабочие циклы четырёхтактного 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.

Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива.

— Такт расширения, или рабочий ход
При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом высокого давления (ТНВД). Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Происходит рабочий ход.

— Такт выпуска
Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

На этом видео показана работа реального двигателя. Камера встроена в цилиндр блока.

Все холостые ходы (впуск, сжатие, выпуск) совершаются за счёт кинетической энергии, запасённой кривошипно шатунным механизмом и связанными с ним деталями во время рабочего хода, в процессе которого химическая энергия топлива превращается в механическую энергию движущихся частей двигателя. Поскольку сгорание происходит в доли секунд, то оно сопровождается быстрым увеличением нагрузки на крышку (головку) цилиндра, поршень и другие детали двигателя внутреннего сгорания. Наличие такой нагрузки неизбежно приводит к необходимости увеличить массу движущихся деталей (для повышения прочности), что в свою очередь сопровождается ростом инерционных нагрузок на движущиеся детали.

В отличие от двухтактного двигателя, в котором смазка коленвала, подшипников коленвала, компрессионных колец, поршня, пальца поршня и цилиндра осуществляется благодаря добавлению масла в топливо; коленвал четырехтактного двигателя находится в масляной ванне. Благодаря этому нет необходимости смешивать бензин с маслом или доливать масло в специальный бачок. Достаточно залить чистый бензин в топливный бак и можно ехать, при этом отпадает необходимость покупки специального масла для 2-тактных двигателей.

Так же на зеркале поршня и стенках глушителя и выхлопной трубы образуется значительно меньше нагара. К тому же, в 2-тактном двигателе происходит выброс топливной смеси в выхлопную трубу, что объясняется его конструкцией.

источник