Рабочий цикл четырёхтактного двигателя.

Совокупность различных процессов, происходящих в цилиндре в определённой последовательности, называется рабочим циклом. При работе двигателя циклы периодически повторяются. Положения кривошипно-шатунного механизма, при которых ось шатуна лежит в плоскости кривошипа, называются мёртвыми точками. Крайнее положение поршня, при котором расстояние от него до вала достигает максимума, называется внутренней мертвой точкой (ВМТ),а минимальное крайнее положение – наружной мертвой точкой. (НМТ).Путь поршня от ВНТ до НМТ или обратно называют ходом поршня. Рабочие процессы, совершаемые в течение одного хода поршня, называют тактом. Объём, освобождаемый поршнем при его перемещении от ВМТ до НМТ называют рабочим объёмом цилиндра и обозначают Vh. Сумма рабочих объёмов всех цилиндров называется рабочим объёмом двигателя.Рабочий объём двигателя,выраженный в литрах (л), называют литражом двигателя. Объём, образующийся над поршнем при его нахождении в ВМТ, называется объёмом камеры сгорания или объёмом камеры сжигания. Отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сжатия называют степенью сжатия. Весь рабочий цикл двигателя может быть условно разбит на пять действительных процессов: впуск, сжатие, сгорание, расширение, выпуск или выталкивание продуктов сгорания. Полезная работа совершается в процессах сгорания и расширения. Рабочий цикл четырёхтактного двигателя осуществляется за два оборота вала (четыре такта).

Первый такт – это впуск. В начале первого такта поршень находится в положении ВМТ. Камера сгорания при этом заполнена продуктами сгорания от предыдущего процесса, давление которых несколько больше атмосферного. При вращении коленчатого вала шатун перемещает поршень в НМТ, а распределительный механизм открывает впускной клапан и сообщает надпоршневое рабочее пространство цилиндра двигателя с впускным трубопроводом. Под влиянием разности давлений цилиндр заполняется свежим зарядом (воздухом или горючей смесью). Давление во впускном трубопроводе может быть равным атмосферному (в двигателях без наддува) или выше него (в двигателях с наддувом). В результате наддува повышается плотность воздуха и, следовательно, увеличивается масса свежего заряда, заполняющего цилиндр при такте впуска.

Второй такт – это сжатие. При движении поршня к ВМТ происходит сжатие поступившего в цилиндр заряда. Давление и температура сжимаемого заряда при этом повышаются, и при некотором перемещении поршня от НМТ давление в цилиндре становится одинаковым с давлением впуска. Однако для улучшения наполнения цилиндра свежим зарядом впускной клапан продолжает оставаться открытым некоторое время в начале такта. Запаздывание закрытия впускного клапана позволяет использовать для дозарядки разряжение в цилиндре, а также кинетическую энергию столба воздуха, движущегося по впускному каналу. После закрытия клапана и при дальнейшем перемещении поршня давление и температура в цилиндре продолжают повышаться. Давление в конце сжатия будет зависеть от степени сжатия, герметичности рабочей полости цилиндра, теплоотдачи в стенки, а также от величины начального давления сжатия.

Третий такт – это сгорание и расширение. Он происходит при ходе поршня от ВМТ к НМТ. В начале такта интенсивно сгорает топливо, поступившее в цилиндр и подготовленное к этому в конце второго такта. Вследствие выделения большого количества тепла температура и давление в цилиндре резко повышается, несмотря на некоторое увеличение внутрицилиндрового объёма. Под действием давления происходит дальнейшее перемещение поршня и расширение газов. Так как газы совершают при этом работу, третий такт называют рабочим ходом.

Четвёртый такт– это выпуск. Во время четвёртого такта происходит очистка цилиндра от выпускных газов. Поршень, перемещаясь от НМТ к ВМТ, вытесняет газы из цилиндра через открытый выпускной клапан. Давление газов в цилиндре в конце такта расширения бывает ещё достаточно высоким, выпускной клапан начинает открываться в тот момент, когда поршень не доходит до НМТ на 40-60 градусов угла поворота коленчатого вала. Вследствие этого уменьшается сопротивление движению поршня во время такта выпуска и улучшается очистка цилиндра. В четырёхтактных двигателях только такт сгорания и расширения является рабочим, а остальные три такта в данном цилиндре осуществляются за счёт кинетической энергии вращающегося коленчатого вала с маховиком и работы других цилиндров. Рабочих ходов у четырёхтактного двигателя в два раза меньше частоты вращения вала. Это соотношение называют коэффициентом тактности.Чем полнее будет очищен цилиндр от выпускных газов и чем больше поступит в него свежего заряда, тем более можно будет получить полезной работы за цикл. Быстротечность во времени процессов впуска и выпуска, ограниченность размеров и проходных сечений клапанов, относительно медленное открытие и закрытие клапанов вызывают необходимость открывать и закрывать клапаны с некоторым опережением или запаздыванием по отношению к граничным мёртвым точкам. Многоцилиндровые двигатели обеспечивают получение значительной мощности при достаточно равномерном ходе двигателя. Под равномерным ходом понимают работу двигателя на постоянном режиме, при котором коленчатый вал двигателя вращается с постоянной частотой. Однако при этом всё равно возникают ударные нагрузки (от тактов рабочего хода). Равномерность хода двигателя улучшается при установке маховика на коленчатом валу двигателя, а также при увеличении числа цилиндров. Чем больше цилиндров в двигателе, тем меньше угловые интервалы между рабочими тактами в разных цилиндрах и, следовательно, более равномерное вращение вала. Современные двигатели имеют до 24 цилиндров и более. Для обеспечения равномерной нагрузки коленчатого вала и подшипников многоцилиндрового двигателя необходимо, чтобы рабочие и другие одноименные такты в его цилиндрах повторялись в определенной последовательности, называемой порядком работы цилиндров. Порядок работы цилиндров однорядного двигателя зависит от газораспределения и угла кривошипами (коленами) коленчатого вала. Этот угол зависит, в свою очередь, от тактности двигателя и числа цилиндров. Полный цикл у четырёхтактного двигателя осуществляется за два оборота вала, т.е. за 720 градусов, а у двухтактного – за один оборот, т.е.360 градусов.

Рабочий цикл двухтактного двигателя. Четырёхтактный двигатель только половину времени, затраченного на цикл, работает как тепловой двигатель (такты сжатия и расширения). Остальное время (такты впуска и выпуска) двигатель работает как воздушный насос. Время, отведённое на рабочий цикл, более полно используется в двухтактных двигателях, где рабочий цикл совершается за два такта, т.е. за один оборот коленчатого вала. В двухтактных двигателях очистка цилиндра от продуктов сгорания и наполнение цилиндра свежим зарядом происходит при движении поршня вблизи НМТ. Отработанные газы вытесняются частично поршнем, но в основном предварительно сжатым до определённого давления воздухом (или горячей смесью). Сжимается этот воздух в отдельном агрегате, называемом нагнетателем или продувочным насосом. Сравнение рабочих циклов четырёх- и двухтактных двигателей показывает, что при одинаковых размерах цилиндра и при том же числе оборотов двухтактный двигатель должен развивать вдвое большую мощность ( за счёт увеличения числа рабочих циклов). Двухтактные двигатели имеют равномерный вращающийся момент, так как рабочий цикл реализуется при каждом обороте коленчатого вала. Существенным недостатком двухтактного процесса при внешнем смесеобразовании является выброс части горючей смеси при продувке и наполнении цилиндра. Кроме того, высокая частота рабочих ходов двигателей приводит к повышенному нагреву деталей КШМ и их ускоренному износу.