Принцип дії поршневих двигунів.

Під робочим циклом розуміють сукупність періодичних процесів, що відбуваються в циліндрі двигуна, повторюючись у точній послідовності. Це впуск, стиск, робочий хід і випуск. Кожний з цих процесів відбувається за один рух поршня (від однієї мертвої точки до іншої) і називається тактом.

В поршневих двигунах внутрішнього згоряння, що працюють по чотирьохтактному циклу, всі процеси здійснюються за чотири ходи поршня або за два оберти колінчастого валу. По принципу дії двигуни бувають як із зовнішнім, так і з внутрішнім сумішоутворенням. Залежно від цього запалювання робочої суміші здійснюється в них або від електричної іскри або від тепла, що накопичується в циліндрі при стисненні робочого тіла. З примусовим електричним запаленням працюють в основному бензинові і газові двигуни, а із запалюванням від стиснення - дизелі.

Таким чином, при використанні одного і того ж робочого циклу умови протікання окремих процесів в циліндрах чотирьохтактних двигунів різко розрізняються залежно від прийнятого способу сумішоутворення. В цьому можна переконатися, наприклад, по величинах тиску, що виникають в циліндрі, які прийнято зображати у вигляді діаграм. Індикаторні діаграми (рис. 2 і 3) будують в координатах pV (залежність тиску в циліндрі від об'єму його надпоршневої порожнини). На рисунку 2 представлена індикаторна діаграма та схема роботи бензинового двигуна, а на рисунку 3 – дизеля.

 

 

 

Рисунок 2 – Індикаторна діаграма і схема роботи карбюраторного двигуна:

І – впуск; ІІ – стиснення; III – розширення; IV – випуск.

 

 

 

Рисунок 3 – Індикаторна діаграма і схема роботи дизельного двигуна:

І – впуск; ІІ – стиснення; III – розширення; IV – випуск

 

 

I такт - такт впускання в чотирьохтактних двигунах починається з руху поршня від верхньої мертвої точки до нижньої мертвої точки. Хід впускання здійснюється поршнем за рахунок повороту колінчастого валу двигуна на кут від 0 до 180° (рис. 2 та 3, положення I). В працюючому двигуні до початку ходу впускання об'єм камери стиснення V_с заповнений залишковими газами, що знаходяться під тиском приблизно 0,105…0,120 МПа, це точка r на діаграмах рисунків 2 та 3. По мірі віддалення поршня від ВМТ і збільшення об'єму надпоршневої порожнини тиск в циліндрі зменшується, порівнюється з атмосферним р₀, а потім стає нижче атмосферного. Оскільки перед початком руху поршня впускний клапан 1К (рис. 2 та 3) за допомогою механізму газорозподілу вже відкритий, то під дією перепаду тиску р₀ – р_а горюча суміш (в карбюраторних і газових двигунах) або чисте повітря (в дизелях) спрямовуються в циліндр і заповнюють його надпоршневу порожнину.

На діаграмах (рис. 2 та 3) процес впускання зображений лінією r - а. Середній тиск на впусканні р_а звичайно складає 0,070…0,095 МПа і залежить від наступних чинників: опорів трубопроводів і приладів системи впускання, величини прохідного отвору у клапана, числа обертів колінчастого валу, ступеня підігрівання свіжого заряду, від інерційних і хвильових рухів газу в трубопроводах і т.д. Оскільки в циліндри дизеля поступає атмосферне повітря, то необхідність в карбюраторі, що чинить помітний опір потоку, відпадає. Тому величина р_а буде дещо більше, ніж в циліндрах карбюраторних двигунів.

Свіжий заряд, що поступає в циліндр, стикається з нагрітими стінками тракту впускання і надпоршневої порожнини циліндра, а також змішується з гарячими залишковими газами, температура яких дорівнює приблизно 1000 К, внаслідок чого температура в циліндрі в кінці ходу поршня (в точці а діаграм) складає 330…380 К.

Наповнення циліндрів оцінюється коефіцієнтом наповнення, який дорівнює відношенню ваги свіжого заряду, що фактично поступив в циліндр, до його ваги при рівних тиску і температурі в циліндрі та в навколишньому середовищі. Проте, через гідравлічний опір тракту впускання, практично це неможливо, тому величина коефіцієнта наповнення завжди буває менше одиниці.

Для сучасних двигунів, що працюють в режимі номінальної потужності (на яку вони розраховуються), коефіцієнт наповнення для бензинових двигунів коливається в межах 0,75…0,85. В двигунах з внутрішнім сумішоутворенням коефіцієнт наповнення завжди вищий, ніж в бензинових двигунах внаслідок меншого опору тракту впускання і досягає величини 0,9.

Оскільки потужність двигуна залежить від вагового наповнення циліндрів, то для поліпшення наповнення приймають ряд заходів. Наприклад, впускний клапан 1К (рис. 2 та 3) відкривають з цією метою з випередженням на 5…20° кута повороту колінчастого валу, тобто ще до початку ходу впускання, а закривають із запізнюванням на 40…70° і більше, коли поршень мине НМТ колінчастий вал перемішує поршень убік ВМТ, тобто здійснюється хід стиснення (рис. 2 та 3, положення II). Отже, тривалість відкриття впускного клапана буває значно більша 180°, тобто більше кута повороту кривошипа валу, за який поршень виконує хід впускання від ВМТ до НМТ (рис. 2 та 3, положення I).

В кінці ходу впускання, точка а, тиск р_а в циліндрі нижчий за атмосферний тиск р₀, тому циліндр може наповнюватися ще і після того, як поршень змінить напрям свого руху, поки тиск в циліндрі не досягне рівня, відзначеного на даних діаграмах точкою 1. Більш того, в швидкохідних автомобільних двигунах при відповідному швидкісному натиску стовпа горючої суміші або повітря можлива дозарядка циліндра при тиску, що дещо перевищує тиск в точці 1.

II такт - такт стиснення здійснюється при русі поршня від НМТ до ВМТ за рахунок повороту колінчастого валу на кут від 180 до 360° (рис. 2 та 3, положення II). В початковій стадії ходу стиснення відбувається підтискання робочого тіла і одночасне збільшення його вагового змісту за рахунок надходження свіжого заряду, яке продовжується, поки тиск в циліндрі двигуна, що працює без наддуву, не зрівняється з тиском навколишнього середовища р₀ (точка 1 на діаграмах рис. 2 та 3).

З моменту закриття впускного клапана відбувається стиснення робочого тіла в циліндрі до тих пір, поки поршень не досягне ВМТ. Об'єм надпоршневої порожнини дорівнює при цьому об'єму V_c, тобто об'єму камери згоряння.

На діаграмах процес стиснення зображений лінією а – с (рис. 2 та 3). Стан робочого тіла в кінці стиснення визначається ступенем стиснення e, початковим тиском р_а, і т.д. В двигунах з примусовим запаленням, які працюють без наддуву, кінцевий тиск стиснення р_с складає 1,2…1,7 МПа, а в дизелях – 3,0…4,0 МПа і відповідно температура Т_с досягає 600…700 К і 800…900 К.

Проте і за цих умов в циліндрі для запалювання палива потрібен якийсь час. Досвід показує, що з найбільшою ефективністю паливо згоряє, якщо заходи до запалювання його в циліндрі виконуються до приходу поршня у ВМТ. Так в режимі роботи двигуна з номінальною потужністю подача в циліндри електричної іскри високої напруги або уприскування палива в дизелях повинні здійснюватися з випередженням 20…30° по куту повороту колінчастого валу.

На діаграмах моменти подачі іскри в карбюраторних двигунах (рис. 2) і уприскування палива в дизелях (рис. 3) позначені точкою 2. Але запалювання палива (поява відкритого полум'я) виникає дещо пізніше, після закінчення необхідних передполуменевих окислювальних процесів (так званого періоду індукції). Про появу відкритого полум'я звичайно судять по більш різкому наростанню тиску в циліндрі у порівнянні з тиском, що характеризується лінією а-с, яка відповідае процесу стиснення без спалаху палива (на діаграмах рис. 2 та 3 - пунктирна ділянка лінії стиснення поблизу точки с).

Помітне підвищення тиску над поршнем при підході його до ВМТ дещо передчасно навантажує кривошипно-шатунний механізм двигуна, проте це необхідне для підвищення ефективності згоряння. Пізнє запалення (безпосередньо у ВМТ), так само як і дуже раннє запалювання палива, порушує нормальне протікання подальших процесів робочого циклу і приводить до погіршення показників потужності і економічності двигуна. В бензинових двигунах дуже велике випередження подачі іскри служить звичайно причиною виникнення детонаційного згоряння.

Таким чином, хід стиснення в початковій стадії поєднується з закінченням наповненням циліндра, а в кінці нього починається вже процес згоряння палива. Але основним процесом цього ходу є все-таки процес стиснення, тому другий такт роботи чотирьохтактного двигуна називається тактом стиснення.

III такт - такт розширення в чотирьохтактному двигуні починається при обох закритих клапанах продовжуючимся процесом згоряння, підготовленим в кінці ходу стиснення. Інтенсивне протікання процесу згоряння палива і виділення при цьому великої кількості тепла приводить до різкого підвищення температури і тиску в надпоршневій порожнині. Під дією тиску газів, що розширяються, поршень переміщається від ВМТ до НМТ і через шатун повертає колінчастий вал на кут від 360 до 540°, здійснюючи корисну роботу (рис. 2 та 3, положення III).

Хід поршня, що відповідає такту розширення і пов'язаний з виділенням тепла і частковим перетворенням його в механічну роботу, називається робочим ходом. На індикаторних діаграмах (рис. 2 та 3) процес розширення зображений лінією z-b.

Інтенсивність процесу згоряння на індикаторній діаграмі оцінюється вертикальним відрізком с-z лінії підвищення тиску в циліндрі. В дійсності лінія підвищення тиску на згаданих діаграмах дещо відхиляється вправо від вертикалі с-z, так як поршень при цьому віддаляється від ВМТ. Робота розширення газів найкраще використовується, коли максимальний тиск в циліндрі р_z виникає при положенні поршня, що відповідає приблизно 10…15° кута повороту колінчатого валу від ВМТ. В цьому випадку, не дивлячись на деяке збільшення об’єму надпоршневої порожнини, максимальний тиск в циліндрах двигунів, які працюють без наддуву з примусовим запалюванням, складає приблизно 4,0…5,5 МПа, в автотракторних дизелях знаходиться в межах 5,5…8,0 МПа, в стаціонарних та інших двигунах, які працюють з наддувом, досягає 10 МПа і ще більш високих значень. Так як в дизелях подача палива закінчується після ВМТ, то в ході розширення близько ВМТ в циліндрі практично підтримується постійний тиск. На індикаторній діаграмі (рис. 3) ця дільниця ходу розширення, зображено лінією z-z^І, характеризує ступінь попереднього розширення, яку враховують при розрахунку дизелів.

У зв'язку з особливостями протікання процесу згоряння в двигунах із зовнішнім і з внутрішнім сумішоутворенням максимальна температура в їх циліндрах в першому випадку досягає 2500…2800 К, а в другому (в дизелях) складає 1900…2200 К.

По мірі віддалення поршня від ВМТ при ході розширення тиск і температура в циліндрі знижуються. В кінці ходу розширення, точка b (рис. 2 та 3), тиск в циліндрі складає 0,3…0,5 МПа, а температура 1100…1800 К. Двигунам з високими ступенями стиснення через порівняно більше розширення відповідають і більш низькі значення вказаних величин.

Для кращого очищення циліндрів від продуктів згоряння (відпрацьованих газів) випускний клапан 2К (рис. 2 та 3) відкривається значно раніше приходу поршня в НМТ. Випередження відкриття випускного клапана звичайно складає 40…60° кута повороту колінчастого валу. На індикаторних діаграмах (рис. 2 та 3) момент відкриття випускного клапана позначений точкою 3. До моменту відкриття клапана в циліндрі зберігається ще досить високий тиск, тому випуск продуктів згоряння в атмосферу відбувається під впливом значного перепаду тиску. Оскільки гази випускаються до приходу поршня в НМТ, тиск в циліндрі в кінці ходу розширення, як можна це бачити на індикаторних діаграмах (рис. 2 та 3), різко знижується. Це створює сприятливі умови для заключного такту робочого циклу, пов'язаного в чотирьохтактних двигунах з випуском продуктів згоряння.

Робочий хід поршня поєднується, як було показано, з процесом згоряння і з першою стадією випуску продуктів згоряння, але основним процесом цього ходу і такту є процес розширення.

IV такт - такт випуску починається (при дещо відкритому вже випускному клапані 2К) рухом поршня від НМТ до ВМТ під впливом колінчастого валу, що здійснює поворот на кут від 540 до 720° (рис. 2 та 3, положення IV).

За хід випуску поршень виштовхує відпрацьовані гази з циліндра в атмосферу, завершуючи цим другу примусову стадію очищення циліндра. На індикаторних діаграмах (рис. 2 та 3) процес випуску зображений лінією b - r. Через опір клапанного отвору і трубопроводів випускної системи тиск в циліндрі при завершенні поршнем ходу випуску залишається вище атмосферного і складає в середньому 0,105…0,120 МПа. Температура газів до кінця випуску знижується, але все-таки для різних двигунів складає 850…1200 К.

Якщо співставити загальну тривалість відкриття випускного клапана, виражену в градусах кута повороту колінчастого валу, з кутом повороту кривошипа, за який поршень виконує хід випуску, то можна побачити, що клапан тримається відкритим майже в 1,5 рази довше, ніж здійснюється сам хід випуску. Проте, повністю очистити циліндри від продуктів згоряння не вдається. В об'ємі камери стиснення вони завжди залишаються, тому їх називають залишковими газами. Щоб звести до мінімуму кількість залишкових газів, випускний клапан закривають з деяким запізненням, що досягає інколи 20^о і більше кута повороту колінчастого валу, тобто клапан залишається відкритим коли поршень починає вже хід впускання.

Таким чином, між двома суміжними робочими циклами одночасно відкрито обидва клапани. Це положення називають перекриттям клапанів. В існуючих поршневих двигунах перекриття клапанів складає 40^о і більше кута повороту колінчастого валу.

Випуск є четвертим, заключним, тактом робочого циклу в чотирьохтактних двигунах. За випуском знов починається впускання - перший такт, і робочий цикл повторюється в розглянутій послідовності, причому впускні і випускні клапани, як було встановлено, відкриваються всього по одному разу за всі чотири такти, на які витрачається два оберти колінчастого валу. Отже, вал механізму газорозподілу, що керує в чотирьохтактних двигунах своєчасним відкриттям і закриттям клапанів, при впусканні в циліндр свіжого заряду і випуску з нього відпрацьованих газів, повинен обертатися зі швидкістю, в два рази меншою за швидкість обертання колінчастого валу.

Отже, в двигунах, що працюють по чотирьохтактному циклу, корисна робота здійснюється тільки в період такту розширення, коли поршень переміщується під дією газів, що розширяються, повертаючи колінчастий вал на 180°, тобто всього на півоберта. Решта трьох тактів є підготовчою і виконується при поверненні колінчастого валу на 540°, або на півтора оберти за рахунок інерції маховика і роботи інших циліндрів (в багатоциліндрових двигунах). Таке співвідношення між чотирма ходами поршня є причиною нерівномірності обертання валу, тобто нерівномірності ходу двигуна.

 

ПОРЯДОК ВИКОНАННЯ РОБОТИ

В ході виконання роботи студент повинен вивчити класифікацію автотракторних двигунів. Ознайомитись із загальною будовою, видом, компонуванням та стислими характеристиками найбільш розповсюджених двигунів, які встановлюються на трактори та автомобілі.

Після ознайомлення з теоретичною частиною, плакатами, загальними видами та розрізами, виконати підрозбирання двигуна, оформити та представити до захисту звіт з проведеної роботи.