Создание и развитие двигателей внутреннего сгорания

    Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре  хода  поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

    В  карбюраторном четырехтактном  одноцилиндровом  двигателе  рабочий  цикл происходит следующим образом:

   1. Такт  впуска по мере того, как коленчатый вал двигателя  делает  первый полуоборот, поршень перемещается от  ВМТ  к  НМТ,  впускной  клапан  открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение 0.07 -  0.095  МПа, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий  из  паров  бензина  и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр  и,  смешиваясь  с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь .

   2. Такт  сжатия. После заполнения цилиндра  горючей смесью  при  дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ  к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и  давление рабочей смеси повышаются.

   3. Такт  расширения или рабочий ход.  В конце такта  сжатия  рабочая   смесь воспламеняется от электрической искры  и  быстро  сгорает,  вследствие  чего температура и давление образующихся  газов  резко  возрастает,  поршень  при этом  перемещается  от  ВМТ  к  НМТ. В  процессе  такта  расширения  шарнирно связанный с поршнем  шатун  совершает  сложное  движение  и  через  кривошип приводит во вращение коленчатый вал. При расширении газы совершают  полезную работу,  поэтому  ход  поршня  при  третьем  полуобороте  коленчатого   вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода  поршня,  при  нахождении  его около НМТ открывается выпускной клапан, давление  в  цилиндре  снижается  до 0.3    -0.75    МПа,    а    температура    до     950     -     1200     С.

    4.  Такт  выпуска,  при   четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ  к  ВМТ.  При  этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания  выталкиваются из  цилиндра  в атмосферу через выпускной газопровод .

                           3.5. Принцип действия четырехтактного дизеля

     В   четырехтактном  двигателе  рабочие   процессы  происходят  следующим образом:

   1. Такт  впуска. При движении поршня от  ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через  открытый  впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре  составляет  0.08 - 0.095 МПа, а температура 40 - 60 С.

   2. Такт  сжатия. Поршень движется от  НМТ   к  ВМТ;  впускной  и  выпускной клапаны закрыты,  вследствие  этого  перемещающийся  вверх  поршень  сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы  температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения  топлива.  При  ходе поршня  к  ВМТ  цилиндр  через  форсунку  впрыскивается  дизельное  топливо, подаваемое топливным насосом .

   3. Такт расширения, или рабочий ход. В прыснутое  в  конце  такта  сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым  воздухом,  воспламеняется,  и  начинается процесс  сгорания,  характеризующийся  быстрым  повышением   температуры   и давления. При этом максимальное    давление газов достигает 6 - 9 МПа, а температура  1800  -  2000  С.  Под действием давления газов поршень 2 перемещается от  ВМТ  в  НМТ  -происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 - 0.5  МПа,  а  температура до 700 - 900 С.

   4. Такт  выпуска . Поршень перемещается  от НМТ  в  ВМТ  и   через  открытый выпускной клапан 6 отработавшие газы  выталкиваются  из  цилиндра.  Давление газов снижается до 0.11 - 0.12  МПа,  а  температура  до  500-700  С.  После окончания такта выпуска при дальнейшем  вращении  коленчатого  вала  рабочий цикл повторяется в той же  последовательности.  Для  обобщения  на  показаны схемы рабочего цикла карбюраторных двигателей и дизелей.

                                3.6. Принцип действия двухтактного двигателя

    Двухтактные  двигатели  отличаются  от  четырехтактных  тем,  что  у   них наполнение цилиндров горючей смесью или  воздухом  осуществляется  в  начале хода сжатия,  а  очистка  цилиндров  от  отработавших  газов  в  конце  хода расширения, т.е. процессы выпуска и впуска  происходят  без  самостоятельных ходов поршня. Общий процесс для всех типов двухтактных    двигателей -  продувка,  т.е.  процесс удаления  отработавших  газов из цилиндра с помощью потока  горючей  смеси  или  воздуха.  Поэтому  двигатель данного  вида  имеет  компрессор  (продувочный  насос).  Рассмотрим   работу двухтактного карбюраторного двигателя  с  кривошипно-камерной  продувкой.  У этого типа  двигателей  отсутствуют  клапаны,  их  роль  выполняет  поршень, который при своем перемещении закрывает впускные,  выпускные  и  продувочные окна. Через эти окна цилиндр в определенны моменты сообщается с  впускным  и выпускным трубопроводами и кривошипной камерой (картер),  которая  не  имеет непосредственного сообщения с атмосферой. Цилиндр в средней части имеет  три окна: впускное, выпускное  6  и  продувочное,  которое  сообщается  клапаном кривошипной камерой двигателя.

    Рабочий  цикл в двигателе осуществляется  за два такта:

   1. Такт  сжатия . Поршень перемещается от  НМТ к  ВМТ,  перекрывая  сначала продувочное, а затем выпускное 6 окно.  После  закрытия  поршнем  выпускного окна в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в  него  горючей  смеси. Одновременно в кривошипной  камере  вследствие  ее  герметичности  создается разряжение, под действием которого из карбюратора  через  открытое  впускное окно поступает горючая смесь в кривошипную камеру.

   2. Такт  рабочего хода. При положении   поршня  около  ВМТ  сжатая  рабочая смесь воспламеняется  электрической  искрой  от  свечи,  в  результате  чего температура и давление  газов  резко  возрастают.  Под  действием  теплового расширения газов поршень перемещается к НМТ,  при  этом  расширяющиеся  газы совершают  полезную  работу.  Одновременно  опускающийся  поршень  закрывает впускное окно и сжимает находящуюся в кривошипной камере горючую смесь.  Когда поршень дойдет до выпускного окна, оно  открывается  и  начинается выпуск отработавших газов в атмосферу ,давление в цилиндре  понижается.  При дальнейшем  перемещении  поршень  открывает  продувочное  окно  и  сжатая  в кривошипной камере горючая смесь перетекает по каналу,  заполняя  цилиндр  и осуществляя продувку его от остатков отработавших газов.

    Рабочий  цикл двухтактного дизельного  двигателя  отличается  от  рабочего цикла двухтактного карбюраторного двигателя тем,  что  у  дизеля  в  цилиндр поступает  воздух,  а  не  горючая  смесь,  и  в   конце   процесса   сжатия впрыскивается мелко распыленное топливо.

    Мощность  двухтактного  двигателя  при   одинаковых  размерах  цилиндра  и частоте вращения вала теоретически в  два  раза  больше  четырехтактного  за счет большего числа  рабочих  циклов.  Однако  неполное  использование  хода поршня для расширения, худшее освобождение цилиндра от  остаточных  газов  и затраты части вырабатываемой мощности  на  привод  продувочного  компрессора приводят практически к увеличению мощности только на 60...70%.

     3.7. Рабочий цикл четырехтактных карбюраторных и дизельных    двигателей

   Рабочий  цикл четырехтактного двигателя  состоит из пяти процессов: впуск, сжатие, сгорание, расширение и выпуск, которые совершаются за  четыре  такта или за два оборота коленчатого вала.

    Графическое  представление  о  давлении  газов  при  изменении   объема  в цилиндре двигателя в процессе осуществления каждого из четырех  циклов  дает индикаторная  диаграмма.  Она  может  быть  построена  по  данным  теплового расчета или снята при работе двигателя  с  помощью  специального  прибора  - индикатора.

    Процесс  впуска. Впуск горючей  смеси   осуществляется  после  выпуска  из цилиндров  отработавших  газов  от  предыдущего   цикла.   Впускной   клапан открывается с некоторым опережением  до  ВМТ,  чтобы получить  к моменту прихода поршня к ВМТ большее проходное  сечение  у  клапана.  Впуск  горючей смеси осуществляется за два периода. В первый  период  смесь  поступает  при перемещении поршня от  ВМТ  к  НМТ  вследствие  разряжения,  создающегося  в цилиндре. Во второй период впуск смеси происходит при перемещении поршня  от НМТ к ВМТ в течение некоторого времени, соответствующего 40  -  70  поворота коленчатого вала за счет разности давлений, и скоростного напора  смеси. Впуск  горючей  смеси  заканчивается  закрытием  впускного   клапана. Горючая смесь,  поступившая  в  цилиндр,  смешивается  с   остаточными   газами   от предыдущего цикла и образует горючую смесь.  Давление  смеси  в  цилиндре  в течение процесса впуска составляет 70 - 90 кПа и зависит  от  гидравлических потерь во впускной системе двигателя. Температура  смеси  в  конце  процесса впуска повышается до 340 - 350 К вследствие соприкосновения ее  с  нагретыми деталями двигателя и смешивания с  остаточными газами, имеющими температуру 900 - 1000 К.

    Процесс  сжатия. Сжатие рабочей смеси,  находящейся в цилиндре  двигателя, происходит при  закрытых  клапанах  и  перемещении  поршня.  Процесс  сжатия протекает  при  наличии  теплообмена  между  рабочей   смесью   и   стенками (цилиндра, головки и днища поршня).  В начале  сжатия  температура рабочей смеси ниже температуры стенок, поэтому теплота передается смеси от  стенок. По мере дальнейшего сжатия температура смеси повышается  и  становится  выше температуры стенок, поэтому  теплота  от  смеси  передается  стенкам.  Таким образом процесс  сжатия  осуществляется  по  политропен,  средний показатель, которой n=1.33...1.38. Процесс сжатия заканчивается в  момент  воспламенения рабочей смеси. Давление рабочей смеси  в  цилиндре  в  конце  сжатия  0.8  - 1.5МПа, а температура 600 - 750 К.

    Процесс  сгорания.  Сгорание  рабочей  смеси  начинается  раньше  прихода поршня к ВМТ,  т.е.  когда  сжатая  смесь  воспламеняется  от  электрической искры.  После  воспламенения  фронт   пламени   горящей   свечи   от   свечи распространяется по всему объему камеры сгорания со скоростью 40 -  50  м/с. Несмотря на такую высокую скорость  сгорания,  смесь успевает  сгореть за время, пока коленчатый вал повернется на  30  -  35  .При  сгорании  рабочей смеси выделяется большое количество теплоты на участке,  соответствующим  10 - 15 до ВМТ и 15 - 20 после НМТ,  вследствие  чего  давление  и  температура образующихся в цилиндре газов быстро возрастают. В конце  сгорания  давление газов достигает 3 - 5 МПа, а температура 2500 - 2800 К.

    Процесс  расширения. Тепловое расширение  газов,  находящихся  в  цилиндре двигателя, происходит после  окончания  процесса  сгорания  при  перемещении поршня  к  НМТ.  Газы,  расширяясь,  совершают  полезную   работу.   Процесс теплового расширения протекает при интенсивном теплообмене  между  газами  и стенками (цилиндра, головки и днища поршня). В начале расширения  происходит догорание  рабочей  смеси,  вследствие  чего  образующиеся   газы   получают теплоту. Газы в течение всего процесса теплового расширения  отдают  теплоту стенкам.   Температура   газов   в    процессе    расширения    уменьшается, следовательно, изменяется  перепад  температуры  между  газами  и  стенками.

        Процесс теплового расширения, заканчивающийся в момент  открытия  выпускного клапана.  Процесс теплового расширения  происходит  по  палитре,  средний показатель  которой  n2=1.23...1.31.  Давление  газов  в  цилиндре  в  конце расширения 0.35 -0.5 МПа, а температура 1200 - 1500 К.

    Процесс  выпуска.  Выпуск  отработавших  газов  начинается  при  открытии выпускного клапана, т.е. за 40 - 60 до прихода поршня в  НМТ.  Выпуск  газов из цилиндра осуществляется за два периода.  В  первый  период  выпуск  газов происходит при перемещении поршня до НМТ за счет того, что давление газов  в цилиндре значительно выше атмосферного. В этот период из цилиндра  удаляется около 60% отработавших газов со скоростью 500 - 600 м/с.  Во  второй  период выпуск  газов  происходит  при  перемещении  поршня  от  НМТ   до   закрытие выпускного  клапана  за  счет  выталкивающего  действия  поршня  и   инерции движущихся газов. Выпуск отработавших газов заканчивается в момент  закрытия выпускного клапана, т. е.  через  10  –  20  после  прихода  поршня  в  ВМТ. Давление  газов  в  цилиндре  в  процессе  выталкивания  0.11  -  0.12  МПа, температура газов в конце процесса выпуска 90 - 1100 К.

                              3.8. Рабочий цикл четырехтактного двигателя

     Рабочий   цикл  дизеля  существенно   отличается   от   рабочего   цикла карбюраторного  двигателя  способом  образования  и  воспламенения   рабочей смеси.     Процесс впуска. Впуск воздуха начинается при открытом впускном клапане  и заканчивается в момент закрытия его.  Процесс  впуска  воздуха происходит так же, как и впуск  горючей  смеси  в  карбюраторном  двигателе.

   Давление воздуха в цилиндре в течение процесса впуска  составляет  80  -  95 к Па и зависит  от  гидравлических  потерь  во  впускной  системе  двигателя. Температура воздуха в конце процесса выпуска повышается до 320 -  350 К  за счет соприкосновения его с  нагретыми  деталями  двигателя  и  смешивания  с остаточными газами.