Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного и дизельного двигателя, Работа двигателя с рядным расположением цилиндров

Для непрерывной работы двигателя в его цилиндре в строгой последовательности должны происходить следующие процессы: заполнение цилиндра горючей смесью, сжатие этой смеси, сгорание топлива и расширение газов, удаление отработавших продуктов сгорания.

Совокупность последовательных процессов (впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск), периодически повторяющихся в каждом цилиндре и обеспечивающих работу двигателя, называется рабочим циклом двигателя. Двигатели, применяемые на автомобилях и тракторах, работают преимущественно по четырехтактному циклу. При этом цикле процессы впуска горючей смеси, сжатия, сгорания, расширения и выпуска отработавших газов совершаются за четыре такта (хода поршня) – впуск, сжатие, рабочий ход (расширение), выпуск, что соответствует двум оборотам коленчатого вала. Один из этих тактов является рабочим, а остальные три – вспомогательные.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя состоит из следующих тактов.

Такт впуска (рис а). При этом такте поршень 4 движется от ВМТ к НМТ, создавая разрежение в полости цилиндра 5 над собой. Впускной клапан 6 открыт, и через впускной трубопровод в цилиндр 5 под влиянием разности давлений поступает смесь топлива с воздухом (горючая смесь), приготовленная в карбюраторе. Горючая смесь, перемешавшись с отработавшими газами, оставшимися в камере сгорания от предыдущего цикла, образует рабочую смесь. Давление в цилиндре во время такта впуска меньше давления окружающей среды и зависит от сопротивления впускного тракта и частоты вращения коленчатого вала. Величина его лежит в пределах от 0,08 до 0,095 МПа. Температура рабочей смеси при этом, вследствие контакта ее с нагретыми деталями двигателя составляет 90–120 ºС.

1 – коленчатый вал, 2 – шатун, 3 – поршневой палец, 4 – поршень, 5 – цилиндр, 6 – впускной клапан, 7 – свеча зажигания, 8 – выпускной клапан.

Такт сжатия (рис б). При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень 4 движется от НМТ к ВМТ. В это время впускной 6 и выпускной 8 клапаны закрыты, поэтому поршень сжимает находящуюся в цилиндре рабочую смесь, которая нагревается и дополнительно хорошо перемешивается. Давление рабочей смеси достигает максимума в тот момент, когда поршень доходит до ВМТ и зависит в основном от степени сжатия. Для различных карбюраторных двигателей оно колеблется от 0,8 до 1,2 МПа. Температура смеси в конце такта сжатия повышается до 300-450 ºС. Чем выше степень сжатия, тем больше температура и давление смеси, и тем больше мощность и экономичность двигателя. Степень сжатия современных карбюраторных двигателей составляет 6-10.

Такт расширения (рис, в). Этот такт состоит из двух последовательно происходящих процессов – сгорания смеси и расширения газов (продуктов сгорания смеси) – и совершается при закрытых клапанах. Рабочая смесь в конце такта сжатия воспламеняется электрической искрой, проскакивающей между электродами свечи зажигания 7 и сгорает, когда поршень находится около ВМТ. В результате сгорания смеси температура и давление образующихся в цилиндре газов возрастают. Под действием давления продуктов сгорания поршень движется вниз и с помощью шатуна 2 вращает коленчатывал 1, совершая при этом механическую работу.

Давление газов в начале такта расширения составляет примерно 4–6 МПа и к концу такта расширения снижается до 0,4–0,5 МПа.

Темп-ра в начале такта расширения составляет 2000–2500 ºС, а в конце снижается до 900–1100 ºС.

Такт выпуска (рисунок 3.72, г). Этот такт начинается при подходе поршня к НМТ при открытом выпускном клапане. Отработавшие газы под собственным давлением 0,4–0,5 МПа выходят из цилиндра в атмосферу через выпускной трубопровод и глушитель. Далее поршень движется от НМТ к ВМТ и выталкивает из цилиндра оставшуюся часть отработавших газов под давлением, несколько превышающем атмосферное (0,11–0,12 МПа). Температура выпускных газов равна 700–800 ºС. После подхода поршня к ВМТ выпускной клапан закрывается, впускной клапан открывается и начинается повторение рабочего цикла. Таким образом, в четырехтактном одноцилиндровом двигателе коленчатый вал вращается под действием давления газов при такте расширения. Для вращения коленчатого вала в течение трех остальных вспомогательных тактов на валу закрепляется тяжелое маховое колесо (маховик), инерция которого обеспечивает вывод поршней из мертвых точек и совершение трех нерабочих ходов поршня.

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя проходит в той же последовательности, что и цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Отличие заключается в характере протекания рабочего цикла, в способе смесеобразования и воспламенения топлива.

Такт впуска (рис3, а). При движении поршня 4 вниз (от ВМТ к НМТ) через впускной трубопровод и открытое отверстие впускного клапана 6 в цилиндр 5 поступает чистый воздух. Отсутствие карбюратора уменьшает гидравлические сопротивления и несколько повышает давление в конце впуска (0,09–0,95 МПа), а температура воздуха составляет 50–80 ºС.

Такт сжатия (рисунок 3.73, б). Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной 6 и выпускной 8 клапаны закрыты. Поршень сжимает воздух, заполнивший цилиндр. Вследствие большой степени сжатия (ε = 14–20) давление в конце сжатия достигает 4–5МПа, а температура 500–700 ºС. Такое повышение температуры и давления необходимо для воспламенения топлива, впрыскиваемого в цилиндр двигателя в конце такта сжатия насосом высокого давления через форсунку 7.

1 – коленчатый вал, 2 – шатун, 3 – поршневой палец, 4 – поршень, 5 – цилиндр, 6 – впускной клапан, 7 – форсунка, 8 – выпускной клапан.

Такт расширения (рисунок 3.73, в). В конце такта сжатия, когда поршень еще не дойдет до ВМТ на 15–30º по углу поворота коленчатого вала, насос высокого давления через форсунку 7 впрыскивает дизельное топливо под большим давлением 15–18 МПа. Давление впрыска топлива должно значительно превышать давление воздуха, сжатого в камере сгорания для обеспечения более тонкого распыления топлива и распределения его по всему объему воздуха, сосредоточенного в камере сгорания. Струя топлива при выходе из распыляющих отверстий сопла форсунки под действием высокого давления приобретает огромную скорость и, пронизывая массу сжатого воздуха, дробится на мелко распыленные частицы (диаметром 0,002–0,005 мм). Продолжительность впрыска составляет 6–30º угла поворота коленчатого вала двигателя.

Распыленное топливо под воздействием высокой температуры сжатого воздуха воспламеняется и быстро сгорает. Поршень под действием газов перемещается от ВМТ к НМТ, т. е. совершает механическую работу.

Давление газов в конце сгорания достигает 6–8 МПа, а температура 1800–2000 ºС. К концу такта расширения давление в цилиндре падает до 0,3–0,4 МПа, а температура – до 700–800 ºС.

Такт выпуска (рисунок 3.73, г). При этом такте выпускной клапан 8 открыт. Поршень движется от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан и выпускной трубопровод из цилиндра удаляются отработавшие газы. Давление выпуска равно 0,105–0,11 МПа, а температура 600–700 ºС.

При дальнейшем вращении коленчатого вала двигателя все перечисленные такты повторяются в такой же последовательности. Четырехтактные дизельные двигатели в настоящее время получили преимущественное распространение на тракторах и автомобилях большой грузоподъемности.

Работа двигателя с рядным расположением цилиндров.

Для обеспечения равномерного чередования тактов расширения угол между кривошипами коленчатого вала в однорядном четырехтактном двигателе должен быть равен 720º/iц, а у двухтактного однорядного 360º/iц (iц – число цилиндров двигателя), так как у четырехтактного двигателя рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала или за 720°, а двухтактного – за один оборот коленчатого вала (360º). Наибольшее распространение получили однорядные четырехтактные двигатели с числом цилиндров четыре и шесть.

В однорядном четырехтактном четырехцилиндровом двигателе одноименные такты должны следовать через 720º/4 = 180º. Для этого кривошипы (шатунные шейки) коленчатого вала располагаются в одной плоскости. Обычно при этом два крайних кривошипа 1 и 4 располагают под углом 180º к двум средним 2 и 3.