Рабочий цикл четырехтактного двигателя

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 (ВМТ), крайнее нижнее – нижней мертвой точкой (НМТ), а путь поршня от ВМТ до НМТ 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 ВМТ, называют камерой сжатия, а объем, освобождаемый поршнем при движении его от ВМТ до НМТ,– 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 НМТ, – полным объемом цилиндра.

Схема работы четырехтактного бензинового двигателя показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема работы четырехтактного бензинового двигателя: а – впуск; б – сжатие; в – расширение; г – выпуск; 1 – коленчатый вал; 2 – шатун; 3 – поршень; 4 – цилиндр; 5и 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 НМТ, 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 НМТ к ВМТ 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 ВМТ, 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 8 движется от ВМТ к НМТ и через шатун 2 передает усилие коленчатому валу 1, совершая механическую работу. В конце рабочего хода при подходе поршня к НМТ 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 НМТ к ВМТ. Поршень выталкивает отработавшие газы из цилиндра в выпускной трубопровод 9 и далее в атмосферу. Вследствие сопротивления клапанного отверстия и выпускного трубопровода 9 давление в цилиндре 4 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.

Первый такт – впуск. Впуск свежего воздуха (рис. 2, а) происходит при перемещении поршня 1 вниз от ВМТ к НМТ. 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 цилиндр и заполняет его. Впускной клапан открывается с некоторым опережением, т. е. до прихода поршня в ВМТ, а закрывается с некоторым запаздыванием, т. е. после прихода поршня в НМТ.

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

Рис. 2. Схема работы четырехтактного дизеля: а – впуск; б – сжатие; в – расширение; г – выпуск; 1 – поршень; 2 – топливный насос; 3 и 6 – впускной и выпускной клапаны; 4 и 7 – впускной и выпускной трубопроводы; 5 – форсунка; 8 – цилиндр; 9 – шатун; 10 – коленчатый вал

Второй такт – сжатие (рис. 2, б). Начинается он при обратном ходе поршня к ВМТ 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 ВМТ. Топливо впрыскивают с таким расчетом, чтобы оно начало воспламеняться вблизи ВМТ.

Третий такт — расширение, или рабочий ход (рис. 2, е), При этом происходит горение топлива и расширение продуктов сгорания. Горение топлива сопровождается выделением большого количества тепла. Обаклапана 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 1600до 2000º С.

Рис. 3. Круговая диаграмма фаз газораспределения четырехтактного дизеля: о. вп. – открытие впускного клапана; з. вп. – закрытие впускного клапана; о. вып. – открытие выпускного клапана; з. вып. – закрытие выпускного клапана

Четвертый такт — выпуск (рис. 2, г). В конце рабочего хода, вблизи НМТ, 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 ВМТ 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.