1. Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя
Рабочий цикл двигателя — это комплекс последовательно чередующихся процессов внутри цилиндра, в результате которых энергия топлива преобразуется в механическую работу.
Двигатели, в цилиндрах которых рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала (за четыре хода поршня), называют четырехтактными. Если рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала (за два хода поршня), то двигатели называют двухтактными.
Такт впуска (рис. 1, а). При вращения коленчатого вала 8 (за пол-оборота) поршень перемещается от ВМТ к НМТ. При этом впускной клапан 4 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт. При движении поршня вниз объем над ним увеличивается, поэтому в цилиндре 2 создается разрежение, равное 0,07 ÷ 0,095 МПа, в результате чего свежая горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод 3 в цилиндр. Свежая рабочая смесь в результате соприкосновения с нагретыми деталями и остаточными газами имеет температуру в конце такта впуска 75 ÷ 125°С.
Рисунок 1 — Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового
а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения (рабочий ход); г — такт выпуска; 1 — поршень; 2 — цилиндр; 3 — газопровод; 4 — впускной клапан; 5 — свеча зажигания; 6 — выпускной клапан; 7— газопровод; 8 — шатун; 9 — коленчатый вал.
Такт сжатия (рис. 1, б). При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом впускной клапан 4 закрывается, а выпускной клапан 6 закрыт. По мере сжатия горючей смеси повышается ее температура и давление. В зависимости от степени сжатия давление в цилиндре в конце такта сжатия может составлять 0,8 ÷ 1,5 МПа, а температура газов — 300 ÷ 450°С.
Такт расширения, или рабочий ход (рис. 1, в). В конце такта сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи зажигания 5, и быстро сгорает, в результате чего температура и давление образующихся газов резко возрастают и поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Максимальное давление газов на поршень при сгорании для карбюраторных двигателей составляет 3,5 ÷ 5 МПа, а температура газов — 2100 ÷ 2400 °С.
При такте расширения шарнирно связанный с поршнем шатун 8 совершает сложное движение и через кривошип передает вращение коленчатому валу. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня давление в цилиндре составляет 0,3 ÷ 0,75 МПа, а температура — 900 ÷ 1200 °С.
Рабочим циклом называется совокупность периодически повторяющихся в цилиндре двигателя процессов, обусловливающих его непрерывную работу. Процесс (или процессы), происходящий в цилиндре за один ход поршня называется тактом.
Рабочие циклы большинства автомобильных двигателей осуществляются за четыре хода поршня (такта), поэтому эти двигатели называются четырехтактными. На протяжении всех четырех тактов рабочего цикла давление газов в цилиндре изменяется. Изменение абсолютного давления газов р в зависимости от их объема V изображается на диаграмме, которая называется индикаторной диаграммой рабочего цикла.
Рабочий цикл дизеля.
При первом такте (впуск) поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, а выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается пониженное давление 0,08-0,09 МПа, через впускной клапан в цилиндр поступает воздух. В цилиндре воздух смешивается с продуктами сгорания, оставшимися от предшествующего цикла и нагревается до температуры 35-75°С. На индикаторной диаграмме этому такту соответствует линия 7-1. При втором такте (сжатие) поршень перемещается от НМТ к ВМТ, оба клапана закрыты. Так как степень сжатия в дизеле равна 15—22, то давление и температура газов в цилиндре сильно повышаются, к концу этого такта они достигают соответственно значений 3-6 МПа и 425-625°С. На индикаторной диаграмме этому такту соответствует линия 1-2.
На третьем такте (сгорание и расширение) в цилиндр под высоким давлением форсункой впрыскивается топливо (точка 2 конца такта сжатия), которое перемешивается с воздухом, нагревается от него, воспламеняется и сгорает (линия 3-4 на диаграмме). Давление газов в результате сгорания (точка 4) увеличивается до 5,5—9,0 МПа, а температура до 1425—1925°С. Поршень к этому моменту пройдет ВМТ и будет двигаться вниз. В течение этого такта происходит полезная работа цикла, поэтому его называют рабочим ходом.
В конце рабочего хода начинает открываться выпускной клапан (точка 5), давление в цилиндре уменьшается (точка 6) до 0,3—0,5 МПа, а температура понизится до 925— 1225°С.
При четвертом такте (выпуск) поршень перемещается от НМТ к ВМТ, выпускной клапан открыт, а впускной закрыт. Давление в цилиндре больше атмосферного, отработавшие газы вытесняются поршнем из цилиндра через выпускной клапан. На протяжении выпуска (линия 6-7) давление и температура газов в цилиндре изменяются мало и к концу этого такта, т.е. к моменту прихода поршня в ВМТ, они составляют соответственно 0,105-0,125 МПа и 325-625°С. Далее процессы, происходящие в цилиндре, повторяются в той же последовательности. Рабочим является только один такт сгорания — расширения, а такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными.
Схема работы четырехтактного дизеля:
а — впуск, б — сжатие, в — сгорание и расширение, г — выпуск;
1 — впускной клапан, 2 — форсунка, 3 — выпускной клапан,
4 — поршень, 5 — топливный насос высокого давления.
При пуске двигателя его коленчатый вал вращается электродвигателем (стартером) или пусковой рукояткой. Когда двигатель начинает работать, впуск, сжатие и выпуск происходят за счет энергии, накопленной маховиком двигателя при рабочем ходе.
В одноцилиндровом четырехтактном двигателе рабочий ход совершается один раз за два оборота коленчатого вала, поэтому коленчатый вал вращается неравномерно, несмотря на наличие маховика.
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя.
Последовательность чередования тактов такая же, как и в рабочем цикле дизеля, за исключением следующих отличий:
- При такте впуска в цилиндр поступает горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха (или газообразное топливо и воздух). В конце такта впуска, когда поршень находится в НМТ, давление в цилиндре равно 0,08-0,09 МПа, а температура 45-105°С.
- Так как степень сжатия у карбюраторных и газовых двигателей намного меньше, чем у дизелей, и составляет примерно 6—9, то и давление, а также температура рабочей смеси в конце такта сжатия не превышают соответственно 0,9-1,5 МПа и 325-525°С.
- В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и происходит ее быстрое сгорание, когда поршень находится около ВМТ, максимальное давление при сгорании 3,5-6,0 МПа, а температура 2025-2425°С. Как и в дизеле, в конце процесса расширения начинает открываться выпускной клапан, происходит резкое понижение давления. При нахождении поршня в НМТ, давление газов в цилиндре составляет 0,4-0,6 МПа, а температура 1125-1425°С.
- Такт выпуска происходит так же, как в дизеле. Давление газов в цилиндре снижается до 0,102-0,12 МПа, а температура — до 625-825°С.
Таким образом, по способу смесеобразования и воспламенения топлива автомобильные поршневые двигатели подразделяются на две группы: с внутренним смесеобразованием и воспламенением от соприкосновения с воздухом, сильно нагретым в цилиндре в результате высокого сжатия (дизели); с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием от искры (карбюраторные и газовые).
В настоящее время продолжаются попытки использовать для автомобилей газовые турбины и роторно-поршневые двигатели, однако количество таких автомобилей очень невелико.
Дизели более экономичны по расходу топлива, чем карбюраторные и газовые двигатели. Это объясняется высокой степенью сжатия, улучшающей использование выделяющейся теплоты в результате большего расширения продуктов сгорания в течение рабочего хода.
Кроме того; дизели потребляют более дешевые сорта нефтяных топлив и менее опасны в пожарном отношении. Дизели имеют большой ресурс до капитального ремонта (400—800 тыс. км пробега автомобиля).
Однако дизели дороже в производстве (в 1,5—2,0 раза) и имеют большую массу, чем карбюраторные и газовые двигатели, поэтому их устанавливают на отечественные автомобили большой и особо большой грузоподъемности.
Тепловые двигатели, устанавливаемые на современных автомобилях, являются двигателями внутреннего сгорания, т. е. такими, у которых топливо сгорает непосредственно в цилиндре. В зависимости от способа образования горючей смеси и вида применяемого топлива двигатели внутреннего сгорания бывают с внешним смесеобразованием (карбюраторные, работающие на бензине, и газосмесительные, работающие на горючем газе) и внутренним смесеобразованием (дизельные — работающие на дизельном топливе).
Чтобы двигатель продолжал работать, необходимо периодически очищать цилиндр от отработавших газов и заполнять его зарядом свежей горючей смеси, что осуществляется через два отверстия (выпускное и впускное).
При расширении газов в цилиндре поршень, перемещаясь вниз, возобновляет запас энергии маховика, за счет которой поршень перемещается вверх, клапан выпускного отверстия открывается и отработавшие газы выходят из цилиндра в атмосферу.
Как только поршень достигает верхнего положения, клапан выпускного отверстия закрывается. Маховик с коленчатым валом продолжают вращаться, и поршень идет вниз. При этом в цилиндре создается разрежение.
Горючая смесь состоит из паров топлива и воздуха. В цилиндре горючая смесь разбавляется остатками отработавших газов, после чего смесь становится рабочей, и через впускное отверстие цилиндр заполняется свежим зарядом горючей смеси.
При нижнем положении поршня зажигать рабочую смесь нецелесообразно, так как давление расширяющихся газов не может быть использовано. Маховик, продолжая вращаться, через коленчатый вал и шатун переместит поршень вверх и смесь сожмется, так как оба отверстия в цилиндре в это время закрыты клапанами. Сжатую рабочую смесь воспламеняют электрическойискрой и все процессы будут последовательно повторяться.Поршень, перемещаясь в цилиндре, достигает то верхнего, то нижнего крайних положений. Крайние положения, в которых поршень меняет направление движения, соответственно называются верхней и нижней мертвыми точками. Расстояние, которое проходит поршень между мертвыми точками, называется ходом поршня. За каждый ход поршня коленчатый вал повернется на 1/2 оборота, или 180°. Процесс, происходящий внутри цилиндра за один ход поршня, называется тактом.При перемещении поршня от верхней мертвой точки книжней в цилиндре освобождается пространство, которое называется рабочим объемом цилиндра. Рабочий объем цилиндра и объем камеры сгорания, вместе взятые, составляют полный объем цилиндра. В многоцилиндровых двигателях сумма рабочих объемов всех цилиндров выражается в литрах и называется литражом двигателя. При малых объемах — до одного литра — он выражается в кубических сантиметрах.Одним из важных показателей двигателя является его степень сжатия, определяемая отношением полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. С повышением степени сжатия двигателя повышается его экономичность и мощность.Повышение экономичности двигателя достигается в результате снижения тепловых потерь, так как при большей степени сжатия уменьшается поверхность камеры сгорания, с которой соприкасаются газы. Увеличение мощности двигателя достигается в результате повышения среднего давления на поршень, которое возрастает с повышением температуры и скорости сгорания рабочей смеси при ее большем сжатии. В карбюраторных и газосмесительных двигателях степень сжатия находится в пределах 6 . 9, в дизельных— 15 . 20.
Рабочий цикл бензинового двигателя(рис.2):
Впуск — поршеньперемещатся отв. м. т. к н. м. т. Открыто впускное отверстие. Вследствие увеличения объема внутри цилиндра создается разрежение 0,075 . . 0,085 МПа, а температура смеси находится в пределах 90 . 125° С. Цилиндр заполняется свежим зарядом горючей смеси.
Сжатие — поршень движется от н. м. т. к в. м. т. Впускное и выпускное отверстия закрыты. Объем над поршнем уменьшается, а давление и температура к концу такта соответственно достигают величин 1,0 . 1,2 МПа и 350 . 450° С. Рабочая смесь сжимается, благодаря чему улучшается испарение и перемешивание паров бензина с воздухом.»
Рабочий ход (сгорание и расширение) — сжатая рабочая смесь воспламеняется искрой,поршень под давлением расширяющихся газов перемещается от в. м. т. к н. м. т. Впускное и выпускное отверстия закрыты.
Давление газов достигает величины 3,5 . 4 0 МПа а температура доходит до
Выпуск — поршень движется от н. м. т. к в. м. т. Открыто выпускное отверстие. Давление газов снижается до 0,11 . 0,12 МПа, а температура — до 300 . 400° С.
Рабочий цикл четырёхтактного бензинового двигателя:
— впуск — сжатие — рабочий ход — выпуск
Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя подобен карбюраторному и состоиттакже из четырех тактов.
Рабочий цикл дизельного двигателя:
Впуск — поршень перемещается от в. м. т. к н. м. т.. Открыто впускное отверстие. Благодаря создаваемому разрежению цилиндр заполняется воздухом. Давление воздуха составляет при этом 0,075 . 0,085 МПа а температура — 90 . 125° С.Сжатие — поршень перемещается от н. м. т. к в. м. т,закрыты впускное и выпускное отверстия. Воздух в цилиндре сжимается. Так как степень сжатия в дизельном двигателе выше (15 . 20), то будут более высокими давление (3,0 . 4,0 МПа) и температура (600 . . 700°С). Такая высокая температура сжатого воздуха необходима для воспламенения впрыскиваемого в цилиндр дизельного топлива.Рабочий ход — в конце такта сжатия в цилиндр через форсунку под давлением 15,0 . 20,0 МПа впрыскивается мелкораспыленное дизельное топливо. Смешиваясь с раскалённым воздухом, топливо воспламеняется, вследствие чего давление в цилиндре повышается до 7,0… 8 Мпа, а температура достигает 1800…2000°С и поршень перемещается от в.м.т. к н.м.т.Впускной и выпускной клапаны закрыты.Выпуск – поршень движется от н.м.т к в.м.т. Открыт выпускной клапан. Температура газов снижается до 300…400° С, а давление их составляет 0,11..0,12 Мпа.Отработавшые газы выталкиваются из цилиндра. Увеличение литровой мощности двигателя достигается за счёт применениянаддува в дизелях (Рис.3). Рабочий процесс четырехтактного четырехцилиндрового карбюраторного двигателя показан на рис.4.
Рис.3.Схемы работы четырехтактного двигателя и наддува у дизелей.
1-цилиндр; 2- поршень; 3- впускной клапан; 4- впускной трубопровод; 5- колесо центробежного компрессора; 6- вал турбокомпрессора; 7- корпус турбокомпрессора; 8- колесо турбины; 9- газоотводящий патрубок; 10- выпускной клапан; 11- поршневой палец; 12- шатун
Рис. 4. Рабочий процесс четырехцилиндрового карбюраторного двигателя:
полуобороты коленчатого вала: а)—первый, б) — второй, в)—третий, г) —четвертый; 1,2, 3, 4 — поршни
Ряд последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя во время его работы, называется рабочим циклом .
Изображение рабочего цикла двигателя в виде замкнутой кривой, показывающей изменение давления газов в течение цикла в зависимости от изменения объема в цилиндре, называется индикаторной диаграммой.
На индикаторной диаграмме четырехтактного карбюраторного восьмицилиндрового двигателя ( рис. 1 ) по горизонтальной оси отложен объем V цилиндра в кубических сантиметрах, а по вертикальной оси —давление р газов в цилиндре в килограммах на квадратный сантиметр.
 |
 |
2
3
4
В отличие от бензинового двигателя, при такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600оС. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется. 
