1 ≫
-
Рабочие циклы двигателей
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя
Работа двигателя внутреннего сгорания может быть представлена в виде систематически повторяющихся процессов, которые принято называть рабочими циклами. Рабочим циклом двигателя называется ряд последовательных, периодических повторяющихся процессов в цилиндрах, в результате которых тепловая энергия топлива преобразуется в механическую работу. При этом каждый полный рабочий цикл может быть разделен на одинаковые (повторяющиеся) части – такты.
Часть рабочего цикла, совершаемого за время движения поршня от одной мертвой точки до другой, т. е. за один ход поршня, называется тактом . Двигатели, рабочий цикл которых совершается за четыре хода поршня (два оборота коленчатого вала), называются четырехтактными.
В головке блока цилиндров, над камерой сгорания (рис. 1) карбюраторного двигателя устанавливаются впускной 4 и выпускной 6 клапаны, управляемые газораспределительным механизмом, а также свеча зажигания 5.
Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя состоит из последовательных тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.
Такт впуска
В результате вращения коленчатого вала при пуске двигателя (вручную или с помощью специального устройства - например, заводной рукоятки или электродвигателя - стартера) поршень совершает движение от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ). При этом впускной клапан 4 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт.
Так как объем цилиндра при движении поршня вниз (к НМТ) быстро увеличивается, давление над поршнем уменьшается до 0,07. 0,09 МПа, т. е. внутри цилиндра создается вакуум – избыточное разрежение.
Впускной клапан 3 сообщается со специальным устройством – карбюратором, который приготавливает горючую смесь из топлива и воздуха. Вследствие разности давлений в карбюраторе и цилиндре горючая смесь всасывается через открытый впускной клапан в цилиндр двигателя.
Если двигатель уже работает, то горючая смесь, попадая в цилиндр из карбюратора, смешивается с остаточными продуктами сгорания от предыдущего цикла, и образует рабочую смесь. Смешиваясь с остаточными продуктами сгорания и соприкасаясь с нагретыми деталями цилиндра, рабочая смесь нагревается до температуры 75. 125 ˚С.
Такт сжатия
При подходе поршня к НМТ впускной клапан закрывается. Далее поршень начинает перемещаться вверх (к ВМТ), сжимая смесь воздуха, топлива и остаточных продуктов сгорания, которые не были удалены из цилиндра при выпуске. При движении поршня от НМТ к ВМТ вследствие сокращения объема цилиндра при закрытых клапанах повышаются давление, при этом возрастает температура рабочей смеси (в соответствии с законом Гей-Люссака).
В конце такта сжатия давление внутри цилиндра повышается до 0,9…1,5 МПа, а температура смеси достигает 270-480 ˚С.
В этот момент к электродам свечи зажигания 5 подводится высокое напряжение, которые вызывает между ними искровой разряд, результате чего рабочая смесь воспламеняется и сгорает.
В процессе сгорания топлива выделяется большое количество теплоты, из-за чего температура газов (продуктов сгорания) повышается до 2200-2500 ˚С, и давление внутри цилиндра достигает 3,0…4,5 МПа. Газы начинают расширяться, перемещая поршень вниз, к НМТ.
Такт расширения (рабочий ход)
Под давлением расширяющихся газов поршень движется от ВМТ к НМТ (при этом оба клапана закрыты). В этот промежуток времени (такт) происходит преобразование тепловой энергии в полезную работу, поэтому ход поршня в такте расширения называют рабочим ходом.
При движении поршня к НМТ объем цилиндра увеличивается, вследствие чего давление уменьшается до 0,3…0,4 МПа, а температура газов снижается до 900…1200 ˚С.
Такт выпуска
При подходе поршня к НМТ открывается выпускной клапан 6, в результате чего продукты сгорания рабочей смеси вырываются наружу из цилиндра.
При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень начинает перемещаться от НМТ к ВМТ. Выталкивая отработавшие газы через открытый выпускной клапан, выпускной канал 7 и выпускную трубу в окружающую среду. К концу такта выпуска давление в цилиндре составляет 0,11…0,12 МПа, а температура – 600…900 ˚С.
При подходе поршня к ВМТ выпускной клапан закрывается, впускной открывается и начинается такт впуска, дающий начало новому рабочему циклу.
Рабочий цикл четырехтактного дизеля
Рабочий цикл дизельного двигателя принципиально отличается от цикла карбюраторного двигателя тем, что рабочая смесь (смесь топлива, воздуха и остаточных продуктов сгорания) приготовляется внутри цилиндра, поскольку воздух подается в цилиндр отдельно, а топливо отдельно – через форсунку. В дизельном двигателе нет специального устройства для поджигания рабочей смеси – она самовозгорается в результате высокой степени сжатия.
Т. е. в дизеле, в отличие от карбюраторного двигателя, через впускной клапан подается не горючая смесь, а атмосферный воздух, а топливо впрыскивается через форсунку в конце такта сжатия. В цилиндре, как и в случае с карбюраторным двигателем, остаются продукты сгорания рабочей смеси, которые не удалось удалить продувкой.
Смесеобразование (перемешивание воздуха, топлива и остаточных продуктов сгорания) в дизеле протекает внутри цилиндра, что и обуславливает основные отличия череды тактов, составляющих рабочий цикл.
Высокая степень сжатия приводит к тому, что поступивший в цилиндр через впускной клапан воздух, смешивается с остаточными газами и раскаляется (в буквальном смысле этого слова) до высоких температур. И в это время в цилиндр впрыскивается топливо, которое вспыхивает и начинает гореть.
Рабочие процессы в дизельном двигателе протекают в следующей последовательности (рис. 2) :
Такт впуска
В период такта впуска поршень 2 движется от НМТ к ВМТ. При этом впускной клапан 5 открыт, выпускной клапан 6 закрыт. В цилиндре 7 из-за разности давлений в окружающей среде и в цилиндре в конце такта впуска возникает разрежение 0,08. 0,09 МПа, при этом температура внутри цилиндра не превышает 40…70 ˚С.
Такт сжатия
В процессе такта сжатия оба клапана закрыты. Поршень 2 движется от НМТ к ВМТ, сжимая смесь воздуха и отработавших газов. Давление в конце такта сжатия достигает 3…6 МПа, а температура – 450…650 ˚С (превышает температуру самовоспламенения топлива).
При подходе поршня к ВМТ, в цилиндр через форсунку 3 впрыскивается распыленное жидкое топливо. Топливо подается к форсунке (через трубку высокого давления) топливным насосом 1 высокого давления (ТНВД). Форсунка обеспечивает тонкое распыление топлива в сжатом воздухе. Распыленное топливо самовоспламеняется и сгорает. В результате сгорания температура в цилиндре достигает 1600…1900 ˚С, давление – 6…9 МПа.
Такт расширения (рабочий ход)
Топливо, не успевшее сгореть в конце такта сжатия, догорает в начале такта расширения. К концу рабочего хода давление газов уменьшается до 0,2…0,4 МПа, а температура снижается до 700…900 ˚С.
Такт выпуска
При подходе к нижней мертвой точке (НМТ) выпускной клапан 6 открывается и большая часть отработавших газов под воздействием высокого давления вырывается из цилиндра в атмосферу. Поршень начинает перемещение от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан выталкивает оставшиеся в цилиндре отработавшие газы в окружающую среду. К концу такта давление газов в цилиндре составляет 0,11…0,12 МПа, а температура – 600. 700 ˚С.
Далее рабочий цикл повторяется.
Таким образом, в четырехтактном двигателе только один такт – рабочий ход является полезным с точки зрения совершения полезной работы, остальные три вспомогательные, они осуществляются за счет кинетической энергии маховика, закрепленного на конце коленчатого вала.
Рабочий цикл двухтактного двигателя
В двухтактных ДВС рабочий цикл осуществляется за один оборот коленчатого вала.
Схема двухтактного дизеля представлена на рис. 3 .
Воздух насосом 3 нагнетается через впускное (продувочное) окно 4 в цилиндр. В нижней части цилиндра напротив впускного окна имеется выпускное окно 7. В головке 5 блока цилиндра установлены форсунки 6.
Первый такт (рис. 3, а) совершается при движении поршня от НМТ к ВМТ за счет кинетической энергии маховика двигателя. Оба окна открыты. Нагнетаемый через впускное окно 4 воздух вытесняет из цилиндра оставшиеся в нем отработавшие газы, которые выходят через выпускное окно 7. Таким образом происходит очистка цилиндра от отработавших газов (продувка) и заполнение его свежим зарядом.
Движущийся вверх поршень 8 сначала закрывает впускное окно, а затем выпускное окно. С этого момента начинается процесс сжатия, в конце которого через форсунку 6 впрыскивается топливо.
Таким образом, за первую половину оборота коленчатого вала совершается процессы наполнения и сжатия, и начинается сгорание топлива.
Второй такт (рис. 3. б) происходит при движении поршня ВМТ к НМТ. В результате выделения теплоты при сгорании топлива повышается температура и давление внутри цилиндра. Поршень перемещается вниз, совершая полезную работу.
Как только поршень открывает выпускное окно, отработавшие газы под давлением начинают выходить в окружающую среду. К моменту открытия впускного окна давление внутри цилиндра снижается на столько, что возможна очистка цилиндра путем вытеснения отработавших газов свежим зарядом воздуха, подаваемым в цилиндр насосом 3.
Этот процесс называется продувкой цилиндра. При этом одновременно с вытеснением отработавших газов происходит наполнение цилиндра свежим зарядом. Далее все процессы повторяются в той же последовательности.
Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя аналогичен рабочему циклу двухтактного дизеля. Отличие состоит в том, что в цилиндр поступает не чистый воздух, а горючая смесь, и в конце процесса сжатия в цилиндре посредством свечи зажигания подается искра, в результате чего происходит воспламенение горючей смеси.
Одним из преимуществ двухтактного двигателя по сравнению с четырехтактным является то, что каждый рабочий ход здесь протекает в период одного оборота коленчатого вала, а не двух. Очевидно, что снижение количества тактов должно привести к повышению КПД из-за уменьшения паразитических процессов . А поскольку в четырехтактном двигателе за два оборота коленчатого вала протекают четыре такта, из которых полезным является лишь такт рабочего хода (т. е. остальные три такта являются паразитическими), то естественно предположить, что КПД четырехтактного двигателя должен быть ниже, чем КПД четырехтактного двигателя.
Существенными недостатками двухтактных двигателей является их низкая топливная экономичность и меньший срок службы по сравнению с четырёхтактными двигателями. Объясняется этот недостаток тем, что при продувке цилиндра (или цилиндров) свежая горючая смесь частично удаляется вместе с отработавшими газами, поскольку, в отличие от четырехтактного двигателя, выпуск и впуск газов протекает одновременно.
Этими недостатками, а также большей токсичностью отработавших газов объясняется ограниченное применение двухтактных двигателей на автомобилях.
Главная страница
Устройство автомобилей
- Экзаменационные билеты
для группы Т-21 (IV семестр)
для группы Т-31 (V семестр)
для группы Т-31 (VI семестр)
КГБПОУ «Каменский агротехнический техникум»
Материалы: http://k-a-t.ru/PM.01_mdk.01.01/3_dvs_3/
2 ≫
-
ПЕРВЫЙ ТАКТ - ВПУСК: Поршень идет вниз, клапан впуска открывается, и топливная смесь поступает из карбюратора в цилиндр. Когда поршень достигает
нижнего положения, клапан впуска закрывается.
ВТОРОЙ ТАКТ - СЖАТИЕ: Поршень идет вверх, топливная смесь сжимается. Когда поршень находится в нескольких миллиметрах от верхней мертвой точки
(ВМТ), свеча воспламеняет топливо, сжатое поршнем.
ТРЕТИЙ ТАКТ - РАБОЧИЙ ХОД (РАСШИРЕНИЕ): После воспламенения горючего оно сгорает, горячие газы быстро расширяются, толкая поршень вниз (оба
коленвала), поршень идет наверх. Одновременно открывается выпускной клапан, и отработавшие газы выходят в выхлопную трубу. При достижении
поршнем ВМТ, выпускной клапан закрывается.
Далее повторяются все четыре такта.
Рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх основных этапов — тактов.
Поршень - металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива, в промежутке между поршнем и стенками цилиндра. Пoршень снабжен металлическим стержнем - пальцем, соединение с шатуном. Шатун передаёт прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.
1. Впуск - четырёхтактный двигатель
В процессе впуска поршень четырёхтактного двигателя идёт из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). Одновременно кулачком распредвала открывается впускной клапан, - в цилиндр четырёхтактного двигателя затягивается свежая топливно-воздушная смесь.
2. Сжатие - четырёхтактный двигатель
Пoршень четырёхтактного двигателя поднимается из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую топливную смесь. Одновременно и значительно поднимается температура горючей смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия (не путать с компрессией). Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Но, для четырёхтактного двигателя с б́ольшей степенью сжатия требуется топливо с б́ольшим октановым числом, которое дороже.
3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня) - четырёхтактный двигатель
Незадолго до окончания такта сжатия горючая смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания. Во время следования поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси именуется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы давление газов достигло максимальной величины когда пoршень будет находиться в ВМТ. Тогда использование энергии сгоревшего топлива будет максимальным. Скороть горения топлива практически не меняется, то есть занимает фиксированное время, следовательно чтобы достичь максимальной производительности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания пропорционально уровню оборотов коленвала. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель). В более современных двигателях для регулировки угла используется электронное опережение зажигания.
4. Выпуск - четырёхтактный двигатель
После НМТ такта рабочего хода поршня четырёхтактного двигателя открывается выпускной клапан, и поднимающийся поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и четырёхтактный цикл начинается сначала.
Таким образом 1 рабочий цикл 4-х тактного двигателя происходит за 2 оборота коленчатого вала (720° его поворота). Необходимо также помнить, что следующий процесс (например, впуск), необязательно должен начинаться в тот момент, когда закончится предыдущий (например, выпуск). Такое положение, когда открыты сразу оба клапана (впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов необходимо для лучшего наполнения цилиндра/-ов горючей смесью, а также для лучшей очистки цилиндра/-ов четырёхтактного двигателя от отработанных газов.
Материалы: http://delta72.at.ua/index/princip_raboty_chetyrjokhtaktnogo_dvigatelja_vnutrennego_sgoranija/0-96
3 ≫
-
Тип силового оборудования имеет решающее значение при выборе. Сегодня существует два варианта – 4-тактный двигатель и 2-тактный.
Силовое оборудование работает на основе расширения газов при нагреве, которое возникает при воспламенении топлива, попадающего во внутреннюю часть цилиндра. Многие придерживаются мнения о том, что 4-х-тактный двигатель Briggs Stratton обладает лучшими характеристиками. Чтобы получить однозначный ответ, стоит разобраться в особенностях работы обоих видов.
Кривошипно-шатунная конструкция и механизм, отвечающий за распределение газа – это главные составляющие, не менее важные системы, обеспечивающие смазку элементов, зажигание и питание.
Кривошипно-шатунное устройство производит передачу необходимого воздействия расширяющихся газов, в то время как механизм, распределяющий их, подает бензин в пространство цилиндра.
4-х-тактный двигатель характеризуется экономичным потреблением топлива, отсутствием горючих смесей в выхлопе, менее высоким уровнем воспроизводимого шума, а также экологичностью, благодаря чему он приобрел распространение у многих компаний, занимающихся выпуском автомобилей.
Весь процесс основывается на рабочем ходе и сжатии.
Поршень находится в основном в двух положениях – это нижняя и верхняя мертвые точки. При перемещении от одной к другой, перекрывается попеременно продувочное и выпускное отверстие, затем начинает сжиматься присутствующий в цилиндре газ. В это время горючая смесь выходит из впускного окна и поступает в камеру кривошипно-шатунного механизма, именно она впоследствии и будет сжиматься.
После того как пары воздуха и бензина дойдут до максимальной степени сжатия, электрическая искра, идущая от свечи, воспламеняет их. В это время образуется давление, способствующее движению поршня к нижней точке за счет резкого увеличения объема газа и температуры смеси. В процессе перемещения открывается выпускное отверстие и выходят продукты горения. Смесь сдавливается при движении поршня и оказывается в камере сгорания, одновременно открывается продувочное окно.
Механизм отличается достаточным количеством недостатков, среди которых высокий топливный расход, при этом большая часть уходит впустую. Это вызвано частичным выбросом смеси паров во время одновременного открытия выпускного и продувочного окна. Также нужно отметить непрерывный расход масла, так как оно входит в состав смеси и без него невозможна работа двигателя. Еще одна отрицательная сторона заключается в непрерывном приготовлении топливной смеси.
Двухтактный механизм обладает небольшим весом и габаритами, чем не может похвастаться 4-тактный двигатель. Но в процессе эксплуатации автомобиля он доставляет больше проблем, из-за чего такой вариант распространен в сфере моделирования, где особое значение придается каждому лишнему килограмму.
Он полностью отличается от своего более легкого аналога. Принцип 4-тактного двигателя заключается в цикле, состоящем из последовательного впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска, благодаря чему нашла свое применение клапанная система.
Поршень открывает впускное устройство путем перемещения вниз, затем горючая смесь попадает в цилиндр, одновременно создается рабочая смесь после перемешивания с остатками от использованного состава.
Процессы, систематически повторяющиеся, в установленной последовательности представляют собой рабочий цикл, они происходят во всех цилиндрах и обеспечивают проведение механической работы за счет преобразования энергии.
Мотор в обычном автомобиле работает на основе четырехэтапного цикла, он происходит во время четырех перемещений поршня или двух оборотов коленвала.
4-тактный дизельный двигатель обладает совершенно иным методом воспламенения рабочей смеси и ее образования, по сравнению с карбюраторным вариантом. Главное различие в такте впуска, так как в дизельный цилиндр поступает воздух, нагретый до высоких температурных значений, а топливо, распыленное на мельчайшие частицы, воспламеняется под влиянием уровня температур.
4-тактный двигатель имеет в своей конструкции масляный картер, эта деталь отвечает за смазочные материалы, точнее, за постоянное нахождение на установленном уровне. Масляный насос передает материал в систему смазки и распределяет на стенках внутренней части цилиндра. В итоге трение поршня снижается благодаря масляной тонкой пленке. Маслосъемные специальные кольцевые элементы предотвращают попадание масляной жидкости в камеру сгорания путем обратного отведения. При этом масляный насос используется, как правило, в двигателях с мощностью более 5 л/c. В других случаях смазка распределяется масляным туманом, создание которого обеспечивается коленвалом.
На 4-х-тактный двигатель приходится меньшая степень нагрузки, за счет этого масло поступает систематически в требуемом объеме, благодаря чему увеличивается срок эксплуатации механизма.
В течение сезона необходима только одна замена смазки. Стоит отметить, что нужно периодически проверять уровень масла, хотя оно не может внезапно исчезнуть. Сегодня производители упростили задачу водителям и оснастили современные модели специальными датчиками, контролирующими уровень смазки и сообщающими о необходимости ее замены.
Как было отмечено выше, два вида мотора имеют принципиальное различие, которое заключается в смазке двухтактных механизмов, осуществляющейся смесью бензина и масла, которая впоследствии сгорает. Некоторые из них обладают специальной системой, осуществляющей подачу масла в картер, но смысл остается прежним – бензин сгорает вместе с маслом. В то время как китайский 4-тактный двигатель “Лифан”, как и любой другой подобного плана, оснащается приспособлениями для возвращения масла в специальный отсек.
Ввиду имеющихся отличий у моторов, автомобильные масла должны соответствовать различным требованиям:
- масло для четырехтактного механизма должно обладать высокими смазочными свойствами, которые остаются прежними в течение долгого времени;
- для другого вида необходимо максимальное сгорание смазочного материала с минимальными остаточными явлениями в виде сажи и золы.
На заре существования двигателей обычная перегонка нефтяных продуктов применялась для производства смазки. При этом состав был одинаков для обоих вариантов. Необходимость в создании новых масел не возникала из-за того, что 4-тактный двигатель имел низкую мощность, и как следствие, незначительный износ и малые нагрузки на составные элементы. Позднее резерв составов был исчерпан постепенным возрастанием оборотов в процессе работы и общими параметрами. Данная задача была решена применением присадок – специальных добавок для автомобильных масел. Они и сегодня существенно повышают характеристики смазочного материала.
Существует мнение о том, что двигатели 2Т мощнее за счет полного использования топливной энергии в течение двух оборотов вала. Это не совсем так, ведь в данном варианте цилиндр, в отличие от мотора другого вида, имеет не цельную конструкцию, и его часть приходится на выпускные и впускные отверстия, соответственно, сгорает меньший объем топлива.
Простота исполнения механизма 2Т вызвала использование в качестве смазки смеси бензина и масла. Рабочая смесь с содержанием смазки характеризуется более низким выделением энергии. Также конструкционные особенности привели к пустому расходу горючей смеси, на которую приходится достаточно весомая часть. При этом двигатель 4-тактный китайский обладает более сложным исполнением, и как следствие, незначительным количеством несгорающего топлива. То есть, моторы 2Т отличаются большей мощностью только в достаточно узком диапазоне.
Материалы: http://fb.ru/article/261503/-taktnyiy-dvigatel-printsip-rabotyi
