РАБОЧИЙ ЦИКЛ ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДВС

Двигатель, рабочий цикл которого осуществляется за четыре такта, или за два оборота коленчатого вала (причем только один ход поршня является рабочим, а остальные три совершаются в результате работы расширения продуктов сгорания топлива.), называется четырехтактным. Рабочий цикл в таком двигателе происходит следующим образом.

Впуск

ПЕРВЫЙ ТАКТ – впуск. Предположим, что поршень 6 (рис. а) при вращении коленчатого вала 8 через шатун 7 перемещается от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ). Впускной клапан 2 системой газораспределения открыт, а выпускной клапан 4 закрыт. По мере движения поршня вниз объем над ним увеличивается, а давление падает. И когда оно становится ниже атмосферного (менее 0,1 МПа), в пространство между крышкой 1, стенками цилиндра 5 и поршнем 6 поступает воздух. Осуществляется такт впуска (наполнения) цилиндра. Объем цилиндра, освобождаемый поршнем при его движении от ВМТ к НМТ, называется рабочим Vs, а объем над поршнем, когда последний находится в НМТ,— полным объемом цилиндра Va Чем больше воздуха будет в цилиндрах дизеля, тем больше можно сжечь в них топлива и, следовательно, получить большую мощность. Всасывание воздуха из атмосферы не может начаться сразу же с началом движения поршня от ВМТ, так как давление остаточных газов в цилиндре в первый момент выше атмосферного. Поэтому для увеличения массы воздуха в цилиндре дизеля впускные клапаны открываются несколько раньше (до прихода поршня в ВМТ), когда кривошип (колено) вала 8 не доходит до ВМТ на угол F1 . О том, как протекает рабочий цикл в цилиндрах дизеля, можно судить по индикаторной диаграмме (замкнутой кривой), которую получают во время работы дизеля с помощью специального прибора (индикатора). По вертикальной оси диаграммы можно определить давление газов р в зависимости от их объема V, т. е. положения поршня в цилиндре. Изменение давления в период впуска воздуха на индикаторной диаграмме изображено линией ram. Давление при впуске воздуха в цилиндры остается практически постоянным. Когда поршень придет в НМТ, всасывание воздуха не прекратится и даже продолжается при движении поршня вверх, пока давление в цилиндре не станет выше атмосферного. Процесс впуска завершается по диаграмме в точке m, когда поршень перейдет НМТ и начнет двигаться вверх, а кривошип коленчатого вала повернется от НМТ на угол <F2. Последовательность открытия и закрытия клапанов показана на круговой диаграмме распределения. Моменты открытия и закрытия их называют фазами газораспределения. Значения углов опережения открытия клапанов и запаздывания их закрытия устанавливают в каждом конкретном случае при заводских испытаниях дизелей.

Сжатие

ВТОРОЙ ТАКТ – сжатие. В момент закрытия впускного клапана поршень, двигаясь к ВМТ (рис. б), будет сжимать поступивший в цилиндр воздух. Процесс сжатия, сопровождаемый повышением давления и температуры воздуха, показан на индикаторной диаграмме линией mс. Температура воздуха в конце сжатия должна находиться в пределах, достаточных для самовоспламенения топлива. Обычно избыточное давление воздуха в конце сжатия достигает 3—10 МПа, а температура 580—800 °С. С приходом поршня в ВМТ объем над ним уменьшается до Vс — объема камеры сжатия. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сжатия Va/Vcназывают степенью сжатия г. Оно показывает, во сколько раз уменьшается объем газов в цилиндре за ход сжатия. У дизелей е колеблется от 12 до 18.

Расширение

ТРЕТИЙ ТАКТ – сгорание и расширение. Так как топливо самовоспламеняется не сразу в момент впрыскивания, оно подается в цилиндр через форсунку 3 (рис. в) в конце такта сжатия (до прихода поршня в ВМТ). На индикаторной диаграмме момент подачи топлива соответствует точке c1. Кривошип коленчатого вала в этом случае не доходит до ВМТ на угол Fз, называемый углом опережения подачи топлива. При сгорании топлива избыточное давление и температура газов в цилиндрах дизеля (в точке z по диаграмме) возрастают соответственно до 6—15 МПа и 1400—1900 °С. Поршень под давлением газов смещается вниз к НМТ, поворачивая через шатун коленчатый вал. Объем рабочего газа увеличивается, а давление его понижается. Происходит процесс расширения продуктов сгорания топлива. По индикаторной диаграмме он заканчивается в точке b до прихода поршня в НМТ. Так как газ при расширении совершает полезную работу, этот ход поршня называют рабочим.

Выпуск

ЧЕТВЕРТЫЙ ТАКТ – выпуск. До прихода поршня в НМТ (в конце рабочего хода) открывается выпускной клапан 4 (рис. 2, г), и продукты сгорания топлива вытесняются из цилиндра в выпускной коллектор. Чем большая масса газов будет удалена из цилиндра, тем, следовательно, при последующем такте впуска в него больше поступит воздуха. Поэтому процесс выпуска (линия bn) начинается с опережением на угол ф4 и заканчивается с опозданием на угол F5. С запаздыванием закрытия выпускного клапана продукты сгорания топлива даже при движении поршня вниз еще некоторое время, вследствие большой скорости истечения, вытесняются в выпускной коллектор по инерции. Избыточное давление газов в начале выпуска (в точке b по индикаторной диаграмме) составляет 0,3—1,0 МПа, а температура 800—1050 °С. В период выпуска давление и температура газов понижаются соответственно до 0,11—0,25 МПа и 450—650 °С. Затем цикл повторяется. Как видно из рассмотренной схемы работы, в конце такта выпуска и начале такта впуска цилиндры четырехтактного дизеля при открытых впускных и выпускных клапанах некоторое время сообщаются как с впускным, так и выпускным коллектором. За этот период происходит продувка (принудительная вентиляция) камеры сгорания свежим зарядом воздуха. Продолжительность одновременного открытия клапанов должна быть достаточной для завершения очистки цилиндра от продуктов сгорания топлива при условии восстановления потерь свежего заряда воздуха, уходящего с выпускными газами в период вентиляции камеры сгорания.