Рабочий цикл двухтактного двигателя состоит всего из двух тактов, происходящих за один полный оборот коленчатого вала. В двухтактном двигателе внутреннего сгорания нижняя часть поршня работает в качестве нагнетателя воздуха. В конструкции современных двигателей (не только двух-, но и четырехтактных) для обеспечения оптимальной подачи воздуха в цилиндры используются дополнительные нагнетатели воздуха.
Рис. Схема действия роторного нагнетателя
Рабочий цикл двухтактного двигателя происходит следующим образом:
Поршень двигается из нижней мертвой точки (НМТ) в верхнюю мертвую точку (ВМТ). Пока поршень не перекроет перепускные окна, свежий заряд топливовоздушной смеси либо воздуха (в случае системы впрыска топлива) выталкивает использованный заряд из цилиндра наружу. При этом свежий заряд воздуха может подаваться из наддувочного нагнетателя под давлением, немного превышающим давление отработавших газов в цилиндре. После перекрытия поршнем перепускных окон заряд сжимается. При этом растут давление и температура, значения которых достигают значений давления и температуры в четырехтактном двигателе.
Сгорание начинается, как и в четырехтактном двигателе, при нахождении поршня возле верхней мертвой точки. Температура и давление не достигают максимальных значений, как в четырехтактном двигателе. Затем продукты сгорания топливовоздушной смеси расширяются в объеме. Как только поршень открывает перепускное окно, отработавшие газы под давлением выходят в систему выпуска. Вскоре вслед за этим открывается второе перепускное окно, и поступающий свежий заряд выталкивает остатки отработавших газов из цилиндра.
Рис. Рабочий цикл двухтактного двигателя
На рисунке представлены два такта и соответствующая диаграмма работы двигателя в координатах p,V.
ustroistvo-avtomobilya.ru
Рабочий цикл четырехтактного двигателя делится на четыре такта, которые происходят за два полных оборота коленчатого вала. Различают следующие четыре такта:
Поршень движется при открытом впускном и закрытом выпускном клапанах из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю мертвую точку (НМТ). Возникающее при этом в цилиндре разрежение втягивает в цилиндр порцию топливовоздушной смеси.
Величина давления при этом составляет несколько десятых бара.
При закрытых клапанах поршень движется из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку и сжимает заряд топливовоздушной смеси. Давление и температура в цилиндре растут. Их максимальные значения составляют:
Клапаны закрыты. Сгорание топливовоздушной смеси начинается в верхней мертвой точке поршня. В результате в цилиндре повышаются температура и давление, максимальные значения которых составляют:
В двигателе с наддувом давление в цилиндре гораздо выше. Газы, являющиеся продуктом сгорания топливовоздушной смеси, начинают расширяться, воздействуя на поршень и перемещая его к нижней мертвой точке. Именно в течение этого такта газы совершают полезную работу, почему такт и называется «рабочий ход». В течение следующих трех тактов, наоборот, поршень воздействует на газы в цилиндре.
При открытом выпускном и закрытом впускном клапанах поршень выталкивает из цилиндра отработавшие газы, лишенные своей энергии. При этом в цилиндре присутствует незначительный вакуум.
Рис. Рабочий цикл четырехтактного двигателя
На рисунке представлены четыре такта и соответствующая диаграмма работы двигателя в координатах р, V.
ustroistvo-avtomobilya.ru
В нижней мертвой точке (НМТ) у поршня происходит "перекладка" т. е. изменение опоры поршня на цилиндр с левой стороны юбки на правую.
Чем больше зазор между юбкой поршня и цилиндром, тем интенсивнее перекладка, а значит шумность двигателя, дальнейший износ юбки поршня и нижней части цилиндра, по которой "бьет" правая сторона юбки поршня.
После прохода поршнем нижней мертвой точки начинается второй такт работы двигателя - сжатие топливо-воздушной смеси.
Непосредственно сжатие (повышение давления в цилиндре) начинается не сразу после начала движения поршня вверх. Дело в том, что топливо-воздушная смесь при открытом впускном клапане некоторое время продолжает поступать в цилиндр, несмотря на начало повышения давления. Поэтому закрытие впускного клапана должно быть согласовано с характером течения смеси у его тарелки.
С точки зрения наилучшего наполнения цилиндра (и, соответственно, наибольшей мощности) в момент закрытия впускного клапана смесь у клапана должна остановиться, т. е. в этот момент через клапан нет ни прямого - в цилиндр, ни обратного - из цилиндра, течения. Здесь на процесс очень сильно влияет конструкция впускной системы, частота вращения, положение дроссельной заслонки. В общем случае, чем больше частота вращения и открытие дроссельной заслонки, тем больше при неизменной длине впускного канала должен запаздывать с закрытием впускной клапан.
На практике, как правило, выбирают компромиссный вариант, однако существуют конструкции с переменными фазами газораспределения (при которых изменяется запаздывание закрытия впускного клапана) и с переменной длиной каналов впускной системы, улучшающих наполнение цилиндров и параметры двигателя в широком диапазоне режимов. Компромиссные решения обычно приводят к ухудшению параметров двигателя за счет обратного выброса смеси на низких частотах вращения и "недозарядки" цилиндра (т. е. снижения количества поступающей смеси относительно максимально возможного) на высоких оборотах. Меньшее по сравнению с традиционными конструкциями запаздывание закрытия клапана имеют двигатели с многоклапанными головками (с тремя или четырьмя клапанами на цилиндр).При движении поршня вверх при закрытых клапанах происходит сжатие топливо-воздушной смеси. При этом давление в цилиндре зависит от утечек смеси через поршневые кольца и клапаны. Их износ или повреждения, а также царапины и риски на поверхности цилиндра также увеличивают утечки смеси через поршневые кольца. Поршневые кольца под действием трения и давления в цилиндре прижимаются к нижним поверхностям канавок, а уплотнение полости цилиндра над поршнем достигается с одной стороны по стыку колец с поверхностью цилиндров, а с другой - по нижним торцевым поверхностям колец и канавок.
Под действием сил давления и трения торцевые поверхности колец и канавок изнашиваются, а торцевой зазор в канавках увеличивается. При большом зазоре кольца вблизи мертвых точек (ВМТ и НМТ) передвигаются от одного торца канавки к другому. Возникает так называемый "насосный" эффект, характерный для изношенных двигателей, из-за которого значительно увеличивается расход масла. Возрастает также прорыв газов в картер из камеры сгорания. Кроме того, при большом торцевом зазоре кольца достаточно быстро разбивают края канавок, вследствие чего "насосный" эффект и прорыв газов быстро прогрессируют.Когда поршень находится вблизи ВМТ, не доходя до нее обычно 5-30° по углу поворота коленчатого вала (ПКВ), происходит искровой разряд на свече зажигания. Этот угол, называемый углом опережения зажигания, при работе двигателя обязательно регулируется. Дело в том, что процесс горения смеси происходит с некоторым запаздыванием с момента искрового разряда на величину так называемого времени формирования фронта пламени. В двигателях с искровым зажиганием это величина условная и равна времени с момента искрового разряда до начала "видимого" сгорания (начала повышения давления свыше давления в цилиндре без сгорания). В дизелях процесс видимого сгорания также происходит с задержкой. При этом время задержки воспламенения в дизелях имеет физический смысл как время, необходимое для нагрева и испарения топпива, впрыскиваемого в цилиндр.Поскольку горение смеси - химическая реакция, времена формирования фронта пламени (задержки воспламенения) и горения зависят от давления и температуры смеси, а также от интенсивности ее перемешивания (турбулентности): чем они больше, тем быстрее идет процесс. Открытие дроссельной заслонки приводит к увеличению давления и плотности смеси во впускном коллекторе, увеличиваются давление и температура в цилиндре на такте всасывания и, соответственно, в конце такта сжатия, улучшается перемешивание смеси. Эти факторы определяют уменьшение времени горения и формирования фронта пламени. При увеличении частоты вращения эти времена уменьшаются не так быстро, как время цикла (время, за которое коленчатый вал делает 2 оборота). Поэтому при неизменном моменте зажигания процесс сгорания с увеличением частоты сдвигается далеко в область рабочего хода и "растягивается" по циклу, что приводит к ухудшению параметров двигателя. Чтобы этого не происходило, угол опережения зажигания приходится увеличивать на 25-30° с ростом частоты вращения. Зависимость угла опережения от нагрузки более слабая - при открытии дроссельной заслонки обычно требуется уменьшать угол опережения зажигания в среднем на 8.Непосредственно перед воспламенением смеси давление в цилиндре достаточно высоко - свыше 1,0-И ,2 МПа. Это давление несколько ниже максимального давления, которое было бы в цилиндре при проверке компрессии, т. к. воспламенение начинается до прихода поршня в ВМТ. Максимальное давление в цилиндре (без сгорания) зависит от степени сжатия б = Vh/VKC, где Vh - рабочий объем цилиндра (Vh = Fn.S), Fn - площадь поршня; S - ход поршня; VKc - объем камеры сгорания.Степень сжатия - величина чисто геометрическая. По этой весьма приближенной зависимости давление измеряемое компрессометром, численно должно быть существенно выше степени сжатия. Однако в действительности из-за задержки закрытия впускного клапана, возможного некоторого разрежения в цилиндре и начале сжатия, потерь тепла и т. д. максимальное давление (компрессия) существенно ниже - порядка 1,1-1 ,5 МПа.При приближении поршня к ВМТ начинают "работать" так называемые вытеснители. Вытеснители образуются поверхностями днища поршня и головки, которые при положении поршня в ВМТ подходят друг к другу наиболее близко обычно зазор между поршнем и головкой в таких местах 0,5-5-1,0 мм. При подходе поршня к ВМТ смесь, расположенная между вытеснительными поверхностями, как бы "вытесняется" в зону камеры сгорания, образуя потоки определенного направления.Чем ближе подходят друг к другу поршень и головка, тем сильнее эффект вытеснения, т. е. больше скорость вытеснения потока. Вытеснители выполняют весьма важную задачу - турбупизируют (т. е. интенсивно перемешивают) смесь в момент воспламенения, а это повышает скорость и полноту сгорания. Турбулизация смеси препятствует также распространению детонации.При движении поршня к ВМТ во время такта работы двигателя давление в цилиндре быстро растет. Увеличивается и давление в зазоре между верхней частью боковой поверхности поршня (огневым поясом) и цилиндром. Рост давления при сгорании приводит к существенному увеличению усилия прижатия компрессионных колец к поверхности цилиндра и нижним поверхностям канавок поршня. Наибольшие усилия испытывает верхнее кольцо, поскольку давление в канавке верхнего кольца значительно выше, чем среднего. Под действием силы давления газов и силы трения кольца о цилиндр верхнее кольцо разворачивается (закручивается) в канавке. После непродолжительной работы кольцо приобретает характерный профиль поперечного сечения с несимметричной бочкообразностью наружной поверхности и небольшой вогнутостью на нижнем торце, а нижняя поверхность канавки становится конической со скругленным краем. От формы наружной поверхности кольца сильно зависят износ цилиндра и расход масла. В частности, при сжатии в цилиндре закручивание кольца может привести к его маслосъемному действию при движении поршня вверх, т. е. к вытеснению части масла со стенок цилиндра в камеру сгорания. В этом случае скребковая верхняя кромка кольца уменьшает и без того тонкую масляную пленку между кольцом и цилиндром, в результате чего возможно образование прижогов на кольце и задиров на поверхности цилиндра.При движении поршня вверх по мере роста давления толщина масляной пленки уменьшается, а вблизи ВМТ становится очень малой. Чтобы недостаток смазки не приводил к повышенному износу, очень важное значение имеют материалы трущихся деталей, состояние их поверхностей, а также упругость колец.Стойкую к износу пару трения "кольцо-цилиндр" образуют обычно твердые гладкие покрытия колец и, как правило, более мягкий материал цилиндра, на поверхности которого создается шероховатость в виде наклонных рисок определенной глубины. Чем глубже риски, тем больше масла в них находится, тем лучше смазка колец и цилиндра.При подходе поршня к ВМТ на поршень действует сила давления газов. Поршень опирается на поршневой палец и чем больше сила давления поршня на палец, тем выше трение в отверстии бобышек поршня и тем труднее поршню повернуться на неподвижном пальце. На практике это выглядит как поворот поршня вместе с шатуном вблизи ВМТ, т. е. как уже упомянутая выше "перекладка", но с гораздо большими усилиями. Для уменьшения этих усилий и снижения возможного стука поршня при повышенном зазоре в цилиндре ось пальца на поршне обычно смещают на 0,05 мм влево, если смотреть на поршень спереди. Тогда, как это видно на схеме, момент сил, поворачивающих поршень вблизи ВМТ, компенсируется моментом от сил давления газов на поршень.Силы давления газов и силы инерции, действующие на поршень, передаются через поршневой палец и шатун на шейку коленчатого вала.Вблизи ВМТ суммарные силы от давления газов и инерции вызывают большие напряжения в шатуне и бобышках поршня. В эксплуатации представляют большую опасность случаи значительного (во много раз) увеличения давления в ВМТ. Обычно это связано с попаданием в камеру сгорания различных жидкостей, например, воды через входной патрубок воздушного фильтра, топлива, масла или охлаждающей жидкости при возникновении соответствующих неисправностей. В таких случаях происходит деформация стержня шатуна - так называемая потеря устойчивости, а также поломки шатуна и поршня, опасные серьезными повреждениями в двигателе. Далее поговорим о такте впуска двигателя.
Рабочий цикл двигателя состоит из четырех тактов: Такт впуска, такт сжатия, такт расширения, такт выпуска.
www.autoezda.com
В нижней мертвой точке (НМТ) у поршня происходит "перекладка" т. е. изменение опоры поршня на цилиндр с левой стороны юбки на правую.
Чем больше зазор между юбкой поршня и цилиндром, тем интенсивнее перекладка, а значит шумность двигателя, дальнейший износ юбки поршня и нижней части цилиндра, по которой "бьет" правая сторона юбки поршня.
После прохода поршнем нижней мертвой точки начинается второй такт работы двигателя - сжатие топливо-воздушной смеси.
Непосредственно сжатие (повышение давления в цилиндре) начинается не сразу после начала движения поршня вверх. Дело в том, что топливо-воздушная смесь при открытом впускном клапане некоторое время продолжает поступать в цилиндр, несмотря на начало повышения давления. Поэтому закрытие впускного клапана должно быть согласовано с характером течения смеси у его тарелки.
С точки зрения наилучшего наполнения цилиндра (и, соответственно, наибольшей мощности) в момент закрытия впускного клапана смесь у клапана должна остановиться, т. е. в этот момент через клапан нет ни прямого - в цилиндр, ни обратного - из цилиндра, течения. Здесь на процесс очень сильно влияет конструкция впускной системы, частота вращения, положение дроссельной заслонки. В общем случае, чем больше частота вращения и открытие дроссельной заслонки, тем больше при неизменной длине впускного канала должен запаздывать с закрытием впускной клапан.
На практике, как правило, выбирают компромиссный вариант, однако существуют конструкции с переменными фазами газораспределения (при которых изменяется запаздывание закрытия впускного клапана) и с переменной длиной каналов впускной системы, улучшающих наполнение цилиндров и параметры двигателя в широком диапазоне режимов. Компромиссные решения обычно приводят к ухудшению параметров двигателя за счет обратного выброса смеси на низких частотах вращения и "недозарядки" цилиндра (т. е. снижения количества поступающей смеси относительно максимально возможного) на высоких оборотах. Меньшее по сравнению с традиционными конструкциями запаздывание закрытия клапана имеют двигатели с многоклапанными головками (с тремя или четырьмя клапанами на цилиндр).При движении поршня вверх при закрытых клапанах происходит сжатие топливо-воздушной смеси. При этом давление в цилиндре зависит от утечек смеси через поршневые кольца и клапаны. Их износ или повреждения, а также царапины и риски на поверхности цилиндра также увеличивают утечки смеси через поршневые кольца. Поршневые кольца под действием трения и давления в цилиндре прижимаются к нижним поверхностям канавок, а уплотнение полости цилиндра над поршнем достигается с одной стороны по стыку колец с поверхностью цилиндров, а с другой - по нижним торцевым поверхностям колец и канавок.
Под действием сил давления и трения торцевые поверхности колец и канавок изнашиваются, а торцевой зазор в канавках увеличивается. При большом зазоре кольца вблизи мертвых точек (ВМТ и НМТ) передвигаются от одного торца канавки к другому. Возникает так называемый "насосный" эффект, характерный для изношенных двигателей, из-за которого значительно увеличивается расход масла. Возрастает также прорыв газов в картер из камеры сгорания. Кроме того, при большом торцевом зазоре кольца достаточно быстро разбивают края канавок, вследствие чего "насосный" эффект и прорыв газов быстро прогрессируют.Когда поршень находится вблизи ВМТ, не доходя до нее обычно 5-30° по углу поворота коленчатого вала (ПКВ), происходит искровой разряд на свече зажигания. Этот угол, называемый углом опережения зажигания, при работе двигателя обязательно регулируется. Дело в том, что процесс горения смеси происходит с некоторым запаздыванием с момента искрового разряда на величину так называемого времени формирования фронта пламени. В двигателях с искровым зажиганием это величина условная и равна времени с момента искрового разряда до начала "видимого" сгорания (начала повышения давления свыше давления в цилиндре без сгорания). В дизелях процесс видимого сгорания также происходит с задержкой. При этом время задержки воспламенения в дизелях имеет физический смысл как время, необходимое для нагрева и испарения топпива, впрыскиваемого в цилиндр.Поскольку горение смеси - химическая реакция, времена формирования фронта пламени (задержки воспламенения) и горения зависят от давления и температуры смеси, а также от интенсивности ее перемешивания (турбулентности): чем они больше, тем быстрее идет процесс. Открытие дроссельной заслонки приводит к увеличению давления и плотности смеси во впускном коллекторе, увеличиваются давление и температура в цилиндре на такте всасывания и, соответственно, в конце такта сжатия, улучшается перемешивание смеси. Эти факторы определяют уменьшение времени горения и формирования фронта пламени. При увеличении частоты вращения эти времена уменьшаются не так быстро, как время цикла (время, за которое коленчатый вал делает 2 оборота). Поэтому при неизменном моменте зажигания процесс сгорания с увеличением частоты сдвигается далеко в область рабочего хода и "растягивается" по циклу, что приводит к ухудшению параметров двигателя. Чтобы этого не происходило, угол опережения зажигания приходится увеличивать на 25-30° с ростом частоты вращения. Зависимость угла опережения от нагрузки более слабая - при открытии дроссельной заслонки обычно требуется уменьшать угол опережения зажигания в среднем на 8.Непосредственно перед воспламенением смеси давление в цилиндре достаточно высоко - свыше 1,0-И ,2 МПа. Это давление несколько ниже максимального давления, которое было бы в цилиндре при проверке компрессии, т. к. воспламенение начинается до прихода поршня в ВМТ. Максимальное давление в цилиндре (без сгорания) зависит от степени сжатия б = Vh/VKC, где Vh - рабочий объем цилиндра (Vh = Fn.S), Fn - площадь поршня; S - ход поршня; VKc - объем камеры сгорания.Степень сжатия - величина чисто геометрическая. По этой весьма приближенной зависимости давление измеряемое компрессометром, численно должно быть существенно выше степени сжатия. Однако в действительности из-за задержки закрытия впускного клапана, возможного некоторого разрежения в цилиндре и начале сжатия, потерь тепла и т. д. максимальное давление (компрессия) существенно ниже - порядка 1,1-1 ,5 МПа.При приближении поршня к ВМТ начинают "работать" так называемые вытеснители. Вытеснители образуются поверхностями днища поршня и головки, которые при положении поршня в ВМТ подходят друг к другу наиболее близко обычно зазор между поршнем и головкой в таких местах 0,5-5-1,0 мм. При подходе поршня к ВМТ смесь, расположенная между вытеснительными поверхностями, как бы "вытесняется" в зону камеры сгорания, образуя потоки определенного направления.Чем ближе подходят друг к другу поршень и головка, тем сильнее эффект вытеснения, т. е. больше скорость вытеснения потока. Вытеснители выполняют весьма важную задачу - турбупизируют (т. е. интенсивно перемешивают) смесь в момент воспламенения, а это повышает скорость и полноту сгорания. Турбулизация смеси препятствует также распространению детонации.При движении поршня к ВМТ во время такта работы двигателя давление в цилиндре быстро растет. Увеличивается и давление в зазоре между верхней частью боковой поверхности поршня (огневым поясом) и цилиндром. Рост давления при сгорании приводит к существенному увеличению усилия прижатия компрессионных колец к поверхности цилиндра и нижним поверхностям канавок поршня. Наибольшие усилия испытывает верхнее кольцо, поскольку давление в канавке верхнего кольца значительно выше, чем среднего. Под действием силы давления газов и силы трения кольца о цилиндр верхнее кольцо разворачивается (закручивается) в канавке. После непродолжительной работы кольцо приобретает характерный профиль поперечного сечения с несимметричной бочкообразностью наружной поверхности и небольшой вогнутостью на нижнем торце, а нижняя поверхность канавки становится конической со скругленным краем. От формы наружной поверхности кольца сильно зависят износ цилиндра и расход масла. В частности, при сжатии в цилиндре закручивание кольца может привести к его маслосъемному действию при движении поршня вверх, т. е. к вытеснению части масла со стенок цилиндра в камеру сгорания. В этом случае скребковая верхняя кромка кольца уменьшает и без того тонкую масляную пленку между кольцом и цилиндром, в результате чего возможно образование прижогов на кольце и задиров на поверхности цилиндра.При движении поршня вверх по мере роста давления толщина масляной пленки уменьшается, а вблизи ВМТ становится очень малой. Чтобы недостаток смазки не приводил к повышенному износу, очень важное значение имеют материалы трущихся деталей, состояние их поверхностей, а также упругость колец.Стойкую к износу пару трения "кольцо-цилиндр" образуют обычно твердые гладкие покрытия колец и, как правило, более мягкий материал цилиндра, на поверхности которого создается шероховатость в виде наклонных рисок определенной глубины. Чем глубже риски, тем больше масла в них находится, тем лучше смазка колец и цилиндра.При подходе поршня к ВМТ на поршень действует сила давления газов. Поршень опирается на поршневой палец и чем больше сила давления поршня на палец, тем выше трение в отверстии бобышек поршня и тем труднее поршню повернуться на неподвижном пальце. На практике это выглядит как поворот поршня вместе с шатуном вблизи ВМТ, т. е. как уже упомянутая выше "перекладка", но с гораздо большими усилиями. Для уменьшения этих усилий и снижения возможного стука поршня при повышенном зазоре в цилиндре ось пальца на поршне обычно смещают на 0,05 мм влево, если смотреть на поршень спереди. Тогда, как это видно на схеме, момент сил, поворачивающих поршень вблизи ВМТ, компенсируется моментом от сил давления газов на поршень.Силы давления газов и силы инерции, действующие на поршень, передаются через поршневой палец и шатун на шейку коленчатого вала.Вблизи ВМТ суммарные силы от давления газов и инерции вызывают большие напряжения в шатуне и бобышках поршня. В эксплуатации представляют большую опасность случаи значительного (во много раз) увеличения давления в ВМТ. Обычно это связано с попаданием в камеру сгорания различных жидкостей, например, воды через входной патрубок воздушного фильтра, топлива, масла или охлаждающей жидкости при возникновении соответствующих неисправностей. В таких случаях происходит деформация стержня шатуна - так называемая потеря устойчивости, а также поломки шатуна и поршня, опасные серьезными повреждениями в двигателе. Далее поговорим о такте впуска двигателя.
Рабочий цикл двигателя состоит из четырех тактов: Такт впуска, такт сжатия, такт расширения, такт выпуска.
www.autoezda.com
1. Двигатель автомобиля представляет собой совокупность механизмов и систем, преобразующих тепловую энергию сгорающего в его цилиндрах топлива в механическую. На современных автомобилях наибольшее распространение получили поршневые двигатели внутреннего сгорания, в которых расширяющиеся при сгорании топлива газы воздействуют на движущиеся в их цилиндрах поршни. Бензиновые двигатели работают на легком жидком топливе — бензине, который получают из нефти. Дизельные двигатели работают на тяжелом жидком топливе — дизельном, получаемом также из нефти. Из указанных двигателей наиболее мощными являются бензиновые, наиболее экономичными и экологичными — дизели, имеющие более высокий коэффициент полезного действия.
У двигателей с внешним смесеобразованием горючая смесь готовится вне цилиндров, в специальном приборе — карбюраторе (карбюраторные двигатели) или во впускном трубопроводе (двигатели с впрыском бензина) и поступает в цилиндры в готовом виде. У двигателей с внутренним смесеобразованием (дизели, двигатели с непосредственным впрыском бензина) приготовление горючей смеси производится непосредственно в цилиндрах путем впрыска в них топлива. В двигателях без наддува наполнение цилиндров осуществляется за счет вакуума, создаваемого в цилиндрах при движений поршней из верхнего крайнего положения в нижнее. В двигателях с наддувом горючая смесь поступает в цилиндры под давлением, которое создается компрессором. Принудительное воспламенение горючей смеси от электрической искры, возникающей в свечах зажигания, производится в бензиновых двигателях, а воспламенение от сжатия (самовоспламенение) — в дизелях.
Основные типы двигателей
У четырехтактных двигателей полный рабочий процесс (цикл) совершается за четыре такта (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск), которые последовательно повторяются при работе двигателей. Рядные двигатели имеют цилиндры, расположенные в один ряд вертикально или под углом 20...40° к вертикали. V-образные двигатели имеют два ряда цилиндров, расположенных под углами 60, 75° и чаще 90. V-образный двигатель с углом 180° между рядами цилиндров называется оппозитным. Двух-, трех-, четырех- и пятицилиндровые двигатели выполняются обычно рядными, а шести-, восьми- и многоцилиндровые — V-образными. В двигателях с жидкостным охлаждением в качестве охлаждающего вещества используют антифризы (низкозамерзающие жидкости), температура замерзания которых -40 °С и ниже. В двигателях с воздушным охлаждением охлаждающим веществом является воздух. Большинство двигателей имеет жидкостное охлаждение, так как оно наиболее эффективное.
Основные определения и параметры двигателя
Верхняя мертвая точка (ВМТ) — крайнее верхнее положение поршня. В этой точке поршень наиболее удален от оси коленчатого вала. Нижняя мертвая точка (НМТ) — крайнее нижнее положение поршня. Поршень наиболее приближен к оси коленчатого вала. В мертвых точках поршень меняет направление движения, и его скорость равна нулю. Ход поршня (S) — расстояние между мертвыми точками, проходимое поршнем в течение одного такта рабочего цикла двигателя. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на угол 180° (пол-оборота). Такт — часть рабочего цикла двигателя, происходящего при движении поршня из одного крайнего положения в другое. Рабочий объем цилиндра (Vk) — объем, освобождаемый поршнем при его перемещении от ВМТ до НМТ. Объем камеры сгорания (Vc) — объем пространства над поршнем, находящимся в ВМТ. Полный объем цилиндра (Va) — объем пространства над поршнем, находящимся в НМТ: va=vk+vc.
Рабочий объем (литраж) двигателя — сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя, выраженная в литрах (см3). Степень сжатия (s) — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания, т.е. s = Va/Vc
Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается смесь в цилиндре двигателя при ходе поршня из НМТ в ВМТ. При повышении степени сжатия увеличивается мощность двигателя и улучшается его экономичность. Степень сжатия для бензиновых двигателей современных легковых автомобилей составляет 8 — 10, а для дизелей 15 — 22. Ход S поршня и диаметр D цилиндра определяют размеры двигателя. Если отношение S/D < 1, то двигатель является короткоходным.
Рабочий процесс (цикл) четырехтактных двигателей состоит из тактов впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Рабочий процесс происходит за четыре хода поршня или за два оборота коленчатого вала. При такте впуска поршень движется от ВМТ к НМТ. Выпускной клапан 5 закрыт. Под действием вакуума, создаваемого при движении поршня, в цилиндр 3 поступает горючая смесь (бензина и воздуха) через впускной клапан 7, открытый распределительным валом 6. Горючая смесь перемешивается с остаточными отработавшими газами, образуя при этом рабочую смесь. Такт сжатия происходит при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Объем рабочей смеси уменьшается, а давление в цилиндре повышается. Повышение давления сопровождается увеличением температуры рабочей смеси. При такте рабочего хода впускной и выпускной клапаны закрыты. Воспламененная в конце такта сжатия от свечи зажигания рабочая смесь быстро сгорает. Газы давят на поршень, он движется от ВМТ до НМТ и совершает полезную работу, вращая через шатун 2 коленчатый вал 1. Такт выпуска происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ. Впускной клапан закрыт. Отработавшие газы вытесняются поршнем из цилиндра через выпускной клапан, открытый распределительным валом. Давление и температура в цилиндре уменьшаются. Из рассмотренного рабочего процесса (цикла) следует, что полезная работа совершается только в течение одного такта — рабочего хода. Рабочий процесс четырехтактного дизеля существенно отличается от рабочего цикла бензинового двигателя по смесеобразованию и воспламенению рабочей смеси. Основное различие рабочих циклов состоит в том, что в цилиндры дизеля при такте впуска поступает не горючая смесь, а воздух, и при такте сжатия в цилиндры впрыскивается мелкораспыленное топливо, которое самовоспламеняется под действием высокой температуры сжатого воздуха. Такт впуска осуществляется при движении поршня 2 от ВМТ к НМТ. Выпускной клапан 6 закрыт. Вследствие образовавшегося вакуума в цилиндр 7 через воздушный фильтр 4 и открытый впускной клапан 5 поступает воздух из окружающей среды.
Рис. 4. Схема рабочего процесса четырехтактного дизеля: а — впуск; б — сжатие; в — рабочий ход; г — выпуск; 1 — топливный насос; 2 —поршень; 3 — форсунка; 4 — воздушный фильтр; 5 — впускной клапан; 6 —выпускной клапан; 7 — цилиндр; 8 — шатун; 9 — коленчатый вал
При такте сжатия поршень движется от НМТ до ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Поршень сжимает находящийся в цилиндре воздух. При такте рабочего хода поршень подходит к ВМТ, и в цилиндр двигателя из форсунки 3 под большим давлением впрыскивается распыленное дизельное топливо, подаваемое топливным насосом 1 высокого давления. Впрыснутое топливо перемешивается с нагретым воздухом, и образовавшаяся смесь самовоспламеняется. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ до НМТ и совершает полезную работу, вращая через шатун 8 коленчатый вал 9. Такт выпуска происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ. Впускной клапан закрыт. Через открытый выпускной клапан 6 поршень выталкивает из цилиндра отработавшие газы.
3. Рабочий процессы (циклы) двухтактных двигателей. Рабочий цикл двухтактного двигателя совершается за два хода поршня или за один оборот коленчатого вала (360°). В связи с этим двухтактный цикл характеризуется тем, что у него один такт является рабочим, а второй — вспомогательным. Рассмотрим работу двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой. В таком двигателе отсутствуют клапаны, их роль выполняет поршень, закрывающий при своем движении выпускные, впускные и продувочные окна. Через эти окна рабочая полость цилиндра сообщается в определенные моменты с впускным и выпускным трубопроводами, а также с кривошипной камерой, которая в данном типе двигателя выполнена герметичной, так как она участвует в рабочем цикле.
Цилиндр двигателя в средней части имеет три окна: впускное 2, выпускное 3 и продувочное 4, служащее для сообщения цилиндра с картером 1 при помощи перепускного канала 5.
Когда поршень расположен в ВМТ., в камере сгорания имеется сжатая поршнем смесь, и в то же время в кривошипной камере находится засосанная поршнем при его движении к ВМТ горючая смесь. При воспламенении сжатой рабочей смеси электрической искрой давление в цилиндре над поршнем резко возрастет и поршень начнет перемещаться от ВМТ к НМТ, совершая рабочий ход. При движении поршня к НМТ одновременно будут происходить рабочий ход в цилиндре и сжатие горючей смеси в кривошипной камере. При движении поршня к НМТ его верхней кромкой сначала открывается выпускное окно 3 и продукты сгорания, давление которых выше атмосферного, начнут выходить наружу (выпуск). При дальнейшем движении поршня открывается продувочное окно 4 и сжатая в картере горючая смесь перетекает по каналу 5, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков продуктов сгорания. При этом часть
горючей смеси неизбежно теряется, выходя вместе с отработавшими газами.
Схема работы двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой:
а —сгорание рабочей смеси в цилиндре и наполнение кривошипной камеры горючей смесью; б—выпуск отработавших газов и наполнение цилиндра .
При обратном движении от НМТ к ВМТ поршень своей верхней кромкой перекрывает продувочное окно 4, затем выпускное 3, после чего начинается сжатие смеси в цилиндре. Одновременно создается разрежение в полости картера до момента открытия нижней кромкой поршня впускного окна 2. После этого процесс начнет повторяться. Рабочий процесс двухтактных дизелей с прямоточной продувкой осуществляется следующим образом .
Первый такт — перемещение поршня от ВМТ к НМТ. При положении поршня около ВМТ происходит воспламенение топлива, впрыснутого в среду сжатого воздуха через форсунку. Под давлением газов поршень перемещается к НМТ. Около середины хода поршня происходит открытие выпускных клапанов 3 и отработавшие газы начинают выходить из цилиндра, в результате чего давление в цилиндре резко снижается. При достижении верхней кромкой поршня продувочных окон начинается продувка цилиндров сжатым воздухом, поступающим к продувочным окнам 2 от нагнетателя 1 через ресивер.
studfiles.net
В нижней мертвой точке (НМТ) у поршня происходит "перекладка" т. е. изменение опоры поршня на цилиндр с левой стороны юбки на правую.
Чем больше зазор между юбкой поршня и цилиндром, тем интенсивнее перекладка, а значит шумность двигателя, дальнейший износ юбки поршня и нижней части цилиндра, по которой "бьет" правая сторона юбки поршня.
После прохода поршнем нижней мертвой точки начинается второй такт работы двигателя - сжатие топливо-воздушной смеси.
Непосредственно сжатие (повышение давления в цилиндре) начинается не сразу после начала движения поршня вверх. Дело в том, что топливо-воздушная смесь при открытом впускном клапане некоторое время продолжает поступать в цилиндр, несмотря на начало повышения давления. Поэтому закрытие впускного клапана должно быть согласовано с характером течения смеси у его тарелки.
С точки зрения наилучшего наполнения цилиндра (и, соответственно, наибольшей мощности) в момент закрытия впускного клапана смесь у клапана должна остановиться, т. е. в этот момент через клапан нет ни прямого - в цилиндр, ни обратного - из цилиндра, течения. Здесь на процесс очень сильно влияет конструкция впускной системы, частота вращения, положение дроссельной заслонки. В общем случае, чем больше частота вращения и открытие дроссельной заслонки, тем больше при неизменной длине впускного канала должен запаздывать с закрытием впускной клапан.
На практике, как правило, выбирают компромиссный вариант, однако существуют конструкции с переменными фазами газораспределения (при которых изменяется запаздывание закрытия впускного клапана) и с переменной длиной каналов впускной системы, улучшающих наполнение цилиндров и параметры двигателя в широком диапазоне режимов. Компромиссные решения обычно приводят к ухудшению параметров двигателя за счет обратного выброса смеси на низких частотах вращения и "недозарядки" цилиндра (т. е. снижения количества поступающей смеси относительно максимально возможного) на высоких оборотах. Меньшее по сравнению с традиционными конструкциями запаздывание закрытия клапана имеют двигатели с многоклапанными головками (с тремя или четырьмя клапанами на цилиндр).При движении поршня вверх при закрытых клапанах происходит сжатие топливо-воздушной смеси. При этом давление в цилиндре зависит от утечек смеси через поршневые кольца и клапаны. Их износ или повреждения, а также царапины и риски на поверхности цилиндра также увеличивают утечки смеси через поршневые кольца. Поршневые кольца под действием трения и давления в цилиндре прижимаются к нижним поверхностям канавок, а уплотнение полости цилиндра над поршнем достигается с одной стороны по стыку колец с поверхностью цилиндров, а с другой - по нижним торцевым поверхностям колец и канавок.
Под действием сил давления и трения торцевые поверхности колец и канавок изнашиваются, а торцевой зазор в канавках увеличивается. При большом зазоре кольца вблизи мертвых точек (ВМТ и НМТ) передвигаются от одного торца канавки к другому. Возникает так называемый "насосный" эффект, характерный для изношенных двигателей, из-за которого значительно увеличивается расход масла. Возрастает также прорыв газов в картер из камеры сгорания. Кроме того, при большом торцевом зазоре кольца достаточно быстро разбивают края канавок, вследствие чего "насосный" эффект и прорыв газов быстро прогрессируют.Когда поршень находится вблизи ВМТ, не доходя до нее обычно 5-30° по углу поворота коленчатого вала (ПКВ), происходит искровой разряд на свече зажигания. Этот угол, называемый углом опережения зажигания, при работе двигателя обязательно регулируется. Дело в том, что процесс горения смеси происходит с некоторым запаздыванием с момента искрового разряда на величину так называемого времени формирования фронта пламени. В двигателях с искровым зажиганием это величина условная и равна времени с момента искрового разряда до начала "видимого" сгорания (начала повышения давления свыше давления в цилиндре без сгорания). В дизелях процесс видимого сгорания также происходит с задержкой. При этом время задержки воспламенения в дизелях имеет физический смысл как время, необходимое для нагрева и испарения топпива, впрыскиваемого в цилиндр.Поскольку горение смеси - химическая реакция, времена формирования фронта пламени (задержки воспламенения) и горения зависят от давления и температуры смеси, а также от интенсивности ее перемешивания (турбулентности): чем они больше, тем быстрее идет процесс. Открытие дроссельной заслонки приводит к увеличению давления и плотности смеси во впускном коллекторе, увеличиваются давление и температура в цилиндре на такте всасывания и, соответственно, в конце такта сжатия, улучшается перемешивание смеси. Эти факторы определяют уменьшение времени горения и формирования фронта пламени. При увеличении частоты вращения эти времена уменьшаются не так быстро, как время цикла (время, за которое коленчатый вал делает 2 оборота). Поэтому при неизменном моменте зажигания процесс сгорания с увеличением частоты сдвигается далеко в область рабочего хода и "растягивается" по циклу, что приводит к ухудшению параметров двигателя. Чтобы этого не происходило, угол опережения зажигания приходится увеличивать на 25-30° с ростом частоты вращения. Зависимость угла опережения от нагрузки более слабая - при открытии дроссельной заслонки обычно требуется уменьшать угол опережения зажигания в среднем на 8.Непосредственно перед воспламенением смеси давление в цилиндре достаточно высоко - свыше 1,0-И ,2 МПа. Это давление несколько ниже максимального давления, которое было бы в цилиндре при проверке компрессии, т. к. воспламенение начинается до прихода поршня в ВМТ. Максимальное давление в цилиндре (без сгорания) зависит от степени сжатия б = Vh/VKC, где Vh - рабочий объем цилиндра (Vh = Fn.S), Fn - площадь поршня; S - ход поршня; VKc - объем камеры сгорания.Степень сжатия - величина чисто геометрическая. По этой весьма приближенной зависимости давление измеряемое компрессометром, численно должно быть существенно выше степени сжатия. Однако в действительности из-за задержки закрытия впускного клапана, возможного некоторого разрежения в цилиндре и начале сжатия, потерь тепла и т. д. максимальное давление (компрессия) существенно ниже - порядка 1,1-1 ,5 МПа.При приближении поршня к ВМТ начинают "работать" так называемые вытеснители. Вытеснители образуются поверхностями днища поршня и головки, которые при положении поршня в ВМТ подходят друг к другу наиболее близко обычно зазор между поршнем и головкой в таких местах 0,5-5-1,0 мм. При подходе поршня к ВМТ смесь, расположенная между вытеснительными поверхностями, как бы "вытесняется" в зону камеры сгорания, образуя потоки определенного направления.Чем ближе подходят друг к другу поршень и головка, тем сильнее эффект вытеснения, т. е. больше скорость вытеснения потока. Вытеснители выполняют весьма важную задачу - турбупизируют (т. е. интенсивно перемешивают) смесь в момент воспламенения, а это повышает скорость и полноту сгорания. Турбулизация смеси препятствует также распространению детонации.При движении поршня к ВМТ во время такта работы двигателя давление в цилиндре быстро растет. Увеличивается и давление в зазоре между верхней частью боковой поверхности поршня (огневым поясом) и цилиндром. Рост давления при сгорании приводит к существенному увеличению усилия прижатия компрессионных колец к поверхности цилиндра и нижним поверхностям канавок поршня. Наибольшие усилия испытывает верхнее кольцо, поскольку давление в канавке верхнего кольца значительно выше, чем среднего. Под действием силы давления газов и силы трения кольца о цилиндр верхнее кольцо разворачивается (закручивается) в канавке. После непродолжительной работы кольцо приобретает характерный профиль поперечного сечения с несимметричной бочкообразностью наружной поверхности и небольшой вогнутостью на нижнем торце, а нижняя поверхность канавки становится конической со скругленным краем. От формы наружной поверхности кольца сильно зависят износ цилиндра и расход масла. В частности, при сжатии в цилиндре закручивание кольца может привести к его маслосъемному действию при движении поршня вверх, т. е. к вытеснению части масла со стенок цилиндра в камеру сгорания. В этом случае скребковая верхняя кромка кольца уменьшает и без того тонкую масляную пленку между кольцом и цилиндром, в результате чего возможно образование прижогов на кольце и задиров на поверхности цилиндра.При движении поршня вверх по мере роста давления толщина масляной пленки уменьшается, а вблизи ВМТ становится очень малой. Чтобы недостаток смазки не приводил к повышенному износу, очень важное значение имеют материалы трущихся деталей, состояние их поверхностей, а также упругость колец.Стойкую к износу пару трения "кольцо-цилиндр" образуют обычно твердые гладкие покрытия колец и, как правило, более мягкий материал цилиндра, на поверхности которого создается шероховатость в виде наклонных рисок определенной глубины. Чем глубже риски, тем больше масла в них находится, тем лучше смазка колец и цилиндра.При подходе поршня к ВМТ на поршень действует сила давления газов. Поршень опирается на поршневой палец и чем больше сила давления поршня на палец, тем выше трение в отверстии бобышек поршня и тем труднее поршню повернуться на неподвижном пальце. На практике это выглядит как поворот поршня вместе с шатуном вблизи ВМТ, т. е. как уже упомянутая выше "перекладка", но с гораздо большими усилиями. Для уменьшения этих усилий и снижения возможного стука поршня при повышенном зазоре в цилиндре ось пальца на поршне обычно смещают на 0,05 мм влево, если смотреть на поршень спереди. Тогда, как это видно на схеме, момент сил, поворачивающих поршень вблизи ВМТ, компенсируется моментом от сил давления газов на поршень.Силы давления газов и силы инерции, действующие на поршень, передаются через поршневой палец и шатун на шейку коленчатого вала.Вблизи ВМТ суммарные силы от давления газов и инерции вызывают большие напряжения в шатуне и бобышках поршня. В эксплуатации представляют большую опасность случаи значительного (во много раз) увеличения давления в ВМТ. Обычно это связано с попаданием в камеру сгорания различных жидкостей, например, воды через входной патрубок воздушного фильтра, топлива, масла или охлаждающей жидкости при возникновении соответствующих неисправностей. В таких случаях происходит деформация стержня шатуна - так называемая потеря устойчивости, а также поломки шатуна и поршня, опасные серьезными повреждениями в двигателе. Далее поговорим о такте впуска двигателя.
Рабочий цикл двигателя состоит из четырех тактов: Такт впуска, такт сжатия, такт расширения, такт выпуска.
www.autoezda.com
