Рабочие циклы четырехтактных двигателей и показатели их работы

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 военной автомобильной технике не применяют, а используют лишь на мотоциклах и как пусковые двигатели на тракторных дизелях. Это связано, прежде всего, с тем, что они имеют сравнительно большой расход топлива и недостаточное наполнение горючей смесью из-за плохой очистки цилиндров от отработавших газов.

На военной автомобильной технике применяются двигатели, работающие по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

В четырехтактном дизеле (рисунок 2.2) рабочие процессы происходят следующим образом.

Такт впуска (рисунок 2.2, а). При движении поршня 2 от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разрежения из воздухоочистителя 4 в полость цилиндра 7 через открытый впускной клапан 5 поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0,08-0,095 МПА, а температура 40-60 °С.

Рисунок 2.2 - Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Такт сжатия (рисунок 2.2, б). Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной 5 и выпускной 6 клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень 2 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 (рисунок 2.2, в). При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку 3 впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом высокого давления 1. 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 2 перемещается от ВМТ к НМТ. Происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0,3-0,5 МПа, а температура – до 700-900 °С.

Такт выпуска (рисунок 2.2, г). Поршень перемещается от НМТ к ВМТ 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.

Рабочие циклы четырехтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно отличаются по способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Основное отличие состоит в том, что в цилиндр карбюраторного двигателя при такте впуска поступает не воздух, а горючая смесь, приготовленная в карбюраторе, которая в конце такта сжатия воспламеняется от электрической искры системы зажигания. В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом двигателе (рисунок 2.4) рабочий цикл происходит следующим образом.

Такт впуска (рисунок 2.3, а). Поршень 1 находится в ВМТ и по мере вращения коленчатого вала 9 (за один его полуоборот) перемещается от ВМТ к НМТ. При этом впускной клапан 4 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт. При движении поршня вниз объем над ним увеличивается, поэтому в цилиндре 2 образуется разрежение, равное 0,07-0,095 МПа, в результате чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной трубопровод 3 в цилиндр. От соприкосновения свежего заряда с нагретыми деталями в конце такта впуска он имеет температуру 75-125 °С.

Рисунок 2.3 - Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового

карбюраторного двигателя

Степень заполнения цилиндра свежим зарядом характеризуется коэффициентом наполнения, который для высокооборотистых карбюраторных двигателей находится в пределах 0,65-0,75. Чем выше коэффициент наполнения, тем большую мощность развивает двигатель.

Такт сжатия (рисунок 2.3, б). После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Впускной клапан 4 закрывается, а выпускной 6 – остается закрытым. По мере сжатия горючей смеси температура и давление ее повышаются. В зависимости от конструкции двигателя давление в конце такта сжатия может составлять 0,8-1,5 МПа, а температура газов 300-450 °С.

Такт расширения, или рабочий ход (рисунок 2.3, в). В конце такта сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи 5, и быстро сгорает, в результате чего температура и давление образующихся газов резко возрастают, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. 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 8 совершает сложное движение и через кривошип передает вращение коленчатому валу. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня давление в цилиндре снижается до 0,3-0,75 МПа, а температура – до 900-1200 °С.

Такт выпуска (рисунок 2.3, г). Коленчатый вал 9 через шатун перемещает поршень от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан 6 открыт и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной трубо-провод 7. 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.