Учебный вопрос №3: Назначение и принцип работы карбюраторного и дизельного двигателей.

Рабочий цикл двигателя – это комплекс последовательных процессов внутри цилиндра, в результате которых энергия топлива преобразуется в механическую работу.

Такт - это часть рабочего цикла, происходящая за время движения поршня от одной мертвой точки до другой, т.е. за один ход поршня.

Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала или за четыре хода поршня, называются четырехтактными. Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала или за два хода поршня, называются двухтактными.

Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя состоит из последовательно происходящих тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя (рис. 1) состоит из следующих тактов:

- впуск горючей смеси;

- сжатие рабочей смеси;

- рабочий ход;

- выпуск отработавших газов;

Горючей смесью называется смесь мелко распыленного бензина с воздухом в определенной пропорции. Приготовлением смеси в двигателе занимается карбюратор, о чем мы с вами поговорим чуть позже. А пока следует знать, что соотношение бензина к воздуху 1:15 считается оптимальным для обеспечения нормального процесса горения.

Рис. 1. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя:

а) впуск; б) сжатие; в) рабочий ход; г) выпуск

При такте впуска (рис 1,а) поршень от верхней мертвой точки перемещается к нижней мертвой точке. Объем над поршнем увеличивается. Цилиндр заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан. Иными словами, поршень всасывает горючую смесь.

Впуск смеси продолжается до тех пор, пока поршень не дойдет до нижней мертвой точки. За первый такт работы двигателя кривошип коленчатого вала поворачивается на пол-оборота.

В процессе заполнения цилиндра горючая смесь перемешивается с остатками отработавших газов и меняет свое название, теперь эта смесь называется – рабочая.

Второй такт - сжатие рабочей смеси (рис. 1,б).

При такте сжатия поршень от нижней мертвой точки перемещается к верхней мертвой точке.

Оба клапана плотно закрыты и поэтому рабочая смесь сжимается. Из школьной физики всем известно, что при сжатии газов их температура повышается. Так и здесь. Давление в цилиндре над поршнем в конце такта сжатия достигает 9 - 10 кг/см², а температура 300 – 400 °С.

В заводской инструкции к автомобилю можно увидеть один из параметров двигателя, имеющий название – степень сжатия (например 8,5). Что это такое?

Степень сжатия показывает во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания (Vп/Vс). У карбюраторных двигателей в конце такта сжатия, объем над поршнем уменьшается в 8 - 10 раз.

В процессе такта сжатия коленчатый вал двигателя поворачивается на очередные пол-оборота. А в сумме, от начала первого такта и до окончания второго, он повернется уже на один оборот.

Третий такт - рабочий ход (рис. 1,в).

Во время третьего такта происходит преобразование выделяемой при сгорании рабочей смеси энергии в механическую работу. Давление от расширяющихся газов передается на поршень и затем, через шатун и кривошип, на коленчатый вал. Вот откуда берется та сила, которая заставляет вращаться коленчатый вал двигателя и, в конечном итоге, ведущие колеса автомобиля.

В самом конце такта сжатия, рабочая смесь воспламеняется от электрической искры, проскакивающей между электродами свечи зажигания. В начале такта рабочего хода, сгорающая смесь начинает активно расширяться. А так как впускной и выпускной клапаны все еще закрыты, то расширяющимся газам остается только один единственный выход - давить на подвижный поршень. Поршень под действием этого давления, достигающего 40 кг/см², начинает перемещаться к нижней мертвой точке. При этом на всю площадь поршня давит сила 2000 кг и более, которая через шатун передается на кривошип коленчатого вала, создавая крутящий момент. При такте рабочего хода, температура в цилиндре достигает 2000 °С и выше.

Коленчатый вал при рабочем ходе поршня делает очередные пол-оборота.

Позднее мы вернемся к этим огромным цифрам, похожим на температуры в доменной печи. А пока следует отметить для себя, что процесс рабочего хода происходит за очень короткий промежуток времени, по сравнению с которым, удивленное «хлопанье» ресницами ваших глаз после прочтения этого сюжета, длится целую вечность.

Четвертый такт - выпуск отработавших газов (рис.1,г)

При движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, открывается выпускной клапан (впускной все еще закрыт) и отработавшие газы с огромной скоростью выбрасываются из цилиндра двигателя. Вот почему слышен тот сильный грохот, когда по дороге едет автомобиль без глушителя выхлопных газов, но об этом позже. А пока обратим внимание на коленчатый вал двигателя - при такте выпуска он делает еще пол-оборота. И всего, за четыре такта рабочего цикла, он сделал два полных оборота.

После такта выпуска начинается новый рабочий цикл, и все повторяется: впуск – сжатие – рабочий ход – выпуск и так далее.

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя.В отличие от карбюраторного двигателя в цилиндр дизеля воздух и топливо вводятся раздельно.

Первый такт – впуск (рис.2,а), служит для наполнения цилиндра двигателя только воздухом.

При движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, происходит всасывание воздуха через открытый впускной клапан.

Второй такт – сжатие (рис.2,б), необходим для подготовки к самовоспламенению дизельного топлива.

При своем движении к верхней мертвой точке, поршень сжимает воздух в 18 - 22 раза (у карбюраторных в 8 - 10 раз). Поэтому в конце такта сжатия, давление над поршнем достигает 40 кг/см², а температура поднимается выше 500 градусов.

Третий такт - рабочий ход (рис. 2,в), служит для преобразования энергии сгораемого топлива в механическую работу.

В конце такта сжатия, в камеру сгорания, через форсунку под давлением подается дизельное топливо, которое самовоспламеняется за счет высокой температуры сжатого воздуха.

При сгорании дизельного топлива (взрыве), происходит его расширение и увеличение давления. При этом возникает усилие, которое перемещает поршень к нижней мертвой точке и через шатун проворачивает коленчатый вал. Во время рабочего хода давление в цилиндре достигает 100 кг/см², а температура превышает 2000 °С.

Четвертый такт – выпуск отработавших газов (рис. 2,г), служит для освобождения цилиндра от отработавших газов.

Поршень от нижней мертвой точки поднимается к верхней мертвой точке и, через открытый выпускной клапан, выталкивает отработавшие газы.

а б в г

Рис. 2. Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя:

1 – воздух; 2 – впускной клапан открыт; 3 – форсунка; 4 – выхлопные газы; 5 – выпускной клапан открыт.

При своем последующем движении вниз, поршень засасывает свежую порцию воздуха, происходит такт впуска и рабочий цикл повторяется.

В дизельном двигателе, нагрузки на все механизмы и детали значительно больше, чем в карбюраторном бензиновом, и это закономерно приводит к увеличению его массы, размеров и стоимости. Однако дизельный двигатель имеет и неоспоримые преимущества - меньший расход топлива, чем у его карбюраторного «брата» (приблизительно на 30 %), а также отсутствие системы зажигания, что значительно уменьшает количество возможных неисправностей при эксплуатации.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя.Наиболее часто применяют двухтактные карбюраторные двигатели с кривошипно-камерной продувкой. В стенке цилиндра двигателей этого типа выполнены три окна: впускное, продувочное и выпускное. Картер (кривошипная камера) двигателя непосредственно с атмосферой не сообщен. Впускное окно соединено с карбюратором, а продувочное – через канал с кривошипной камерой двигателя.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя происходит следующим образом. Поршень движется от н.м.т. к в.м.т., перекрывая в начале хода продувочное окно, а затем выпускное. После этого в цилиндре начинается сжатие находящейся в нем рабочей смеси. В то же время в кривошипной камере создается разрежение, и как только нижняя кромка поршня откроет впускное окно, через него из карбюратора в кривошипную камеру будет засасываться горючая смесь.

При положении поршня, близком к в.м.т., сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи. При сгорании смеси давление газов резко возрастает. Под давлением газов поршень перемещается к н.м.т. Как только он закроет впускное окно, в кривошипной камере начинается сжатие ранее поступившей сюда горючей смеси.

В конце хода поршень открывает выпускное, а затем и продувное окно. Через открытое выпускное окно отработавшие газы с большой скоростью выходят в атмосферу. Давление газов в цилиндре падает. 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 поступает в цилиндр и, заполняя его, выталкивает остатки отработавших газов через выпускное окно наружу. В дальнейшем все процессы повторяются в той же последовательности.

Рабочий цикл двухтактного дизеля аналогичен рабочему циклу двухтактного карбюраторного двигателя, отличаясь лишь тем, что в цилиндр поступает не горючая смесь, а чистый воздух от специального нагнетателя и в конце процесса сжатия впрыскивается топливо, которое воспламеняется от соприкосновения с воздухом, имеющим высокую температуру.

Сравнение показателей дизелей и карбюраторных двигателей. Дизель по сравнению с карбюраторным двигателем имеет следующие преимущества: для выполнения единицы работы расходуется в среднем 25…30 % (по массе) меньше топлива; используемое топливо дешевле и менее огнеопасно. Хорошие экономические показатели дизелей обеспечили им широкое применение.

Однако вследствие более высокого давления газов в цилиндре дизеля некоторые детали его должны быть повышенной прочности, что приводит к увеличению размеров и массы дизеля. Пуск его затруднен, особенно в зимнее время.

Двухтактные двигатели (особенно карбюраторные) менее экономичны, чем четырехтактные. Наиболее неэкономичны двухтактные карбюраторные двигатели, в которых цилиндры продувают горючей смесью.