Лекция№3

1.2. Рабочие циклы четырехтактных двигателей

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу.

Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным. В настоящее время двухтактные двигатели на автомобилях не применяют, а используют лишь на мотоциклах и как пусковые двигатели на тракторах. Это связано, прежде всего, с тем, что они имеют сравнительно высокий расход топлива и недостаточное наполнение горючей смесью цилиндров из-за плохой их очистки от отработавших газов.

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

Рабочий цикл одноцилиндрового двигателя осуществляется следующим образом.

Такт впуска (рис. 1.3, а). Поршень 1 находится в ВМТ и по мере вращения коленчатого вала 8 (за пол-оборота) 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 ОГ имеет температуру в конце такта впуска 75... 125 ˚С.

Степень заполнения цилиндра свежей горючей смесью характеризуется коэффициентом наполнения η, который представляет собой отношение действительного количества горючей смеси, поступившей в цилиндр, к тому количеству, которое могло бы заполнить рабочий объем цилиндра при давлении и температуре окружающей среды. Для высокооборотных карбюраторных двигателей η = 0,65...0,75. Чем выше коэффициент наполнения, тем большую мощность развивает двигатель.

Рис. 1.3. Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя:

а — такт впуска; б—такт сжатия; в — такт расширения (рабочий ход); г — такт выпуска; 7— поршень; 2 — цилиндр; 3 — газопровод; 4 — впускной клапан;  5 — свеча зажигания; 6 — выпускной клапан; 7 — газопровод; 8 — шатун; 9 — коленчатый вал; — горючая смесь (парообразное состояние);      — масло.

Такт сжатия (рис. 1.3, б). После заполнения цилиндра горючей смесью 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. 1.3, 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.

Такт выпуска (рис. 1.3, г). Коленчатый вал 9 через шатун перемещает поршень от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан 6 открыт и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод 7. В начале такта выпуска продуктов сгорания давление в цилиндре значительно выше атмосферного, но к концу такта оно составляет 0,105...0,120 МПа.

Температура газов в начале такта выпуска составляет 750... 900 °С, а в конце — 500...600 °С. Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежая горючая смесь перемешивается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью. По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными.