Рабочий цикл четырехтактного двигателя

11/04/2012 в 16:00

При работе двигателя поршень совершает возвратно-поступательное движение и занимает в цилиндре различные положения. Крайнее верхнее положение поршня в цилиндре двигателя называют верхней мертвой точкой (в.м.т.), крайнее нижнее - нижней мертвой точкой (н.м.т.), а путь поршня от в.м.т. до н.м.т или обратно - ходом поршня. В двигателях с центральным расположением шатунно-кривошипного механизма ход поршня равен двум радиусам кривошипа коленчатого вала.

Объем, ограниченный стенками цилиндра, головкой и днищем поршня при положении его в в.м.т., называют камерой сжатия, а объем, освобождаемый поршнем при движении его от в.м.т. до н.м.т.,- рабочим объемом цилиндра. Рабочий объем цилиндра, выраженный в литрах, называют литражом двигателя, а объем, ограниченный головкой, стенками цилиндра и днищем поршня при положении его в н.м.т., - полным объемом цилиндра.

Схема работы четырехтактного карбюраторного двигателя показана на рис. 1.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя

Рис. 1. Схема работы четырехтактного карбюраторного двигателя: а - впуск., б - сжатие, в - расширение, г - выпуск; 1- коленчатый вал, 2 - шатун. 3 - поршень, 4 - цилиндр, 5 и 9 - впускной и выпускной трубопроводы, 6 и 8 - впускной и выпускной клапаны, 7 - свеча

Первый такт - впуск горючей смеси (рис. 1, а). Поршень 3 движется к н.м.т., поэтому в цилиндре 4 создается разрежение. Среднее давление на впуске составляет 0,07-0,095 МПа и зависит от сопротивления трубопроводов и приборов системы пуска, величины проходного отверстия у клапана, частоты вращения коленчатого вала и др. Свежий заряд засасывается по впускному трубопроводу 5 через открытый впускной клапан 6 в цилиндр двигателя. При этом выпускной клапан 8 закрыт.

Поступающий в цилиндр заряд соприкасается с нагретыми стенками впускного трубопровода и надпоршневой полости цилиндра, а также смешивается с горячими остаточными газами, температура которых примерно равна 730° С. Поэтому температура в цилиндре в конце хода поршня составляет 60-110° С.

Второй такт - сжатие смеси (рис. 1, б). Поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. при закрытых впускном и выпускном клапанах, сжимая при этом рабочую смесь. По мере уменьшения объема рабочей смеси ее Давление и температура повышаются. Давление в конце сжатия составляет 1,0-1,7 МПа, а температура - 330-430° С. В момент, когда поршень несколько не доходит до в.м.т., между электродами свечи 7 проскакивает электрическая искра и рабочая смесь в цилиндре воспламеняется.

Третий такт - расширение, или рабочий ход (рис. 1, в). При этом происходит сгорание рабочей смеси и расширение продуктов сгорания. Рабочий ход начинается при обоих закрытых клапанах продолжающимся процессом сгорания, который начался в конце хода сжатия. В результате интенсивного протекания процесса сгорания топлива происходит выделение большого количества тепла, что приводит к резкому повышению температуры и давления в надпоршневой полости. Максимальная температура в цилиндре достигает 2200-2700° С, а максимальное давление 4,0-5,5 МПа.

Под действием расширяющихся газов поршень 3 движется от в.м.т. к н.м.т. и через шатун 2 передает усилие коленчатому валу 1, совершая механическую работу. В конце рабочего хода при подходе поршня к н.м.т. открывается выпускной клапан. В конце такта расширения давление в цилиндре составляет 0,3-0,5 МПа, а температура 800- 1500° С.

Четвертый такт - выпуск (рис. 1, г). Начинается он при несколько открытом уже выпускном клапане движением поршня от н.м.т. к в.м.т. Поршень выталкивает отработавшие газы из цилиндра в выпускной трубопровод и далее в атмосферу. Вследствие сопротивления клапанного отверстия и выпускного трубопровода давление в цилиндре в конце такта выпуска остается выше атмосферного и составляет 0,10- 0,12 МПа, а температура газов в зависимости от частоты вращения для различных двигателей колеблется от 580 до 930° С.

Схема работы четырехтактного дизеля показана на рис. 2.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя

Рис. 2. Схема работы четырехтактного дизеля: а - впуск, б - сжатие; в - расширение, г - выпуск; 1 - поршень, 2 - топливный насос, 3 и 5 - впускной и выпускной клапаны, 4 и 7 - впускной и выпускной трубопроводы, 5 - форсунка, 6 - цилиндр, 9 - шатун, 10 - коленчатый вал

Первый такт - впуск (всасывание). Впуск свежего воздуха (рис. 2, а) происходит при перемещении поршня 1 вниз от в.м.т. к н.м.т. Впускной клапан 3 открыт, а выпускной 6 - закрыт. Во время перемещения поршня вниз в цилиндре 8 двигателя создается разрежение и наружный воздух по впускному трубопроводу 4 поступает в циллндр и заполняет его. Впускной клапан открывается с некоторым опережением, т. е. до прихода поршня в в.м.т., а закрывается с некоторым запаздыванием, т. е. после прихода поршня в н.м.т.

Режим работы впускного клапана, при котором он полностью открыт в течение всего хода поршня, установлен для лучшего наполнения цилиндра воздухом. Хотя после н.м.т. поршень начинает двигаться вверх, воздух под действием сил инерции при открытом впускном клапане продолжает еще поступать в цилиндр.

Второй такт - сжатие (рис. 2, б). Начинается он при обратном ходе поршня к в.м.т. и закрытых клапанах. Воздух в цилиндре сжимается до давления 3,4-3,9 МПа и нагревается до 500-600° С и более. Давление воздуха в конце сжатия зависит от степени сжатия, т. е. от отношения полного объема цилиндра к объему камеры сжатия. Степень сжатия колеблется для разных типов дизелей от 12 до 20 и для большинства составляет 14-18.

В конце второго такта в цилиндр впрыскивается распыленное жидкое топливо с некоторым опережением, равным 10-20° угла поворота кривошипа коленчатого вала относительно в.м.т. Топливо впрыскивают с таким расчетом, чтобы оно начало воспламеняться вблизи в.м.т.

Третий такт - расширение, или рабочий ход (рис. 2, б). При этом происходит горение топлива и расширение продуктов сгорания. Горение топлива сопровождается выделением большого количества тепла. Оба клапана закрыты. Максимальное давление при сгорании топлива у малооборотных дизелей 5-7 МПа, у средне- и высокооборотных 6-12, У дизелей с высоким наддувом 10-15 МПа. Температура газа в конце сгорания топлива тем выше, чем больше давление, и колеблется от 1600 до 2000° С.

Четвертый такт - выпуск (рис. 2, г). В конце рабочего хода, вблизи н.м.т., открывается выпускной клапан 6, внутренняя полость цилиндра начинает сообщаться с атмосферой и продукты сгорания с давлением выше атмосферного выходят в окружающую среду. Температура отработавших газов 350- 450° С, а давление - 0,3-0,4 МПа.

Опережение открытия выпускного клапана необходимо для того, чтобы к началу движения поршня к в. м. т. часть газов вышла через открытый выпускной клапан и давление в цилиндре понизилось. В противном случае пришлось бы преодолевать значительное усилие, возникающее от давления газов на поршень. Поршень, двигаясь вверх, выталкивает продукты сгорания наружу, освобождая цилиндр для новой порции свежего воздуха. В табл. 1 приведен рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного двигателя.

Моменты открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов называют фазами газораспределения. Для наглядности фазы газораспределения наносят на диаграмму, называемую круговой диаграммой фаз газораспределения (рис. 3). Как видно из диаграммы, имеется период, когда оба клапана открыты. Такое положение называется перекрытием клапанов. Опережение открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов удлиняет фазы и улучшает наполнение и очистку цилиндров двигателя от отработавших газов.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя

Рис. 3. Круговая диаграмма фаз газораспределения четырехтактного дизеля: О.вп. - открытие впускного клапана. З.ип. - закрытие впускного клапана, О.вып. - открытие выпускного клапана, З.вып. - закрытие выпускного клапана, в.м.т. - верхняя мертвая точка, н.м.т. - нижняя мертвая точка

Еще по теме

  • Цилиндры
    Цилиндры являются направляющими для поршней. Внутренняя часть цилиндров образует рабочую полость, которая ограничивается днищем поршня и головкой цилиндра. В рабочих полостях совершается рабочий цикл двигателя. Гильзы цилиндров устанавливают в блок-цилиндры. У четырехтактных дизелей блок-цилиндры имеют простую конструкцию коробчатой формы, которая состоит из верхней и нижней досок с отверстиями для установки[..]
  • Общее устройство системы топливоподачи
    Дизели относят к двигателям с внутренним смесеобразованием. Впрыск топлива в цилиндр двигателя производится в конце процесса сжатия через форсунку, скорость струи топлива достигает 150- 400 м/с. Трение о воздух струи топлива и его гидродинамическое воздействие вызывают разрушение струи на капельки диаметром 2-3 мкм. Хорошее протекание процесса сгорания будет в том[..]
  • Техническое обслуживание системы топливоподачи карбюраторных двигателей
    При техническом обслуживании проверяют герметичность топливного бака, топливопроводов, топливоподкачивающего насоса, карбюратора, а также очищают их от пыли и грязи. При необходимости проверяют и регулируют карбюратор И топливоподкачивающий насос. При обслуживании системы топливоподачи производят регулировку карбюратора на малую частоту вращения холостого хода, проверяют и регулируют уровень топлива в поплавковой камере карбюратора,[..]