Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

Фактический рабочий процесс двигателя

Рабочий процесс двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что поступившая в рабочий цилиндр топливо-воздушная смесь сгорает выделяя при этом тепло, часть которого преобразуется в механическую работу. Эта работа вращает коленвал двигателя и используется далее для передвижения автомобиля и привода его рабочих органов.

Рабочий процесс реального двигателя в значительной степени отличается от идеального двигателя благодаря следующим причинам:

· в цилиндре находится не только чистый заряд топливовоздушной смеси, но и отработавшие газы от предыдущего рабочего цикла;

· смесь сгорает не полностью;

· сгорание обеспечивается только при постоянном давлении или только при постоянном объеме;

· происходит теплообмен между газами и поверхностью камеры сгорания;

· при впуске и выпуске возникают гидравлические потери;

· часть газов проникает из камеры сгорания в картер двигателя через недостаточно герметичные поршневые кольца;

· существуют потери на трение в кривошипно-шатунном механизме.

Изменение давления во время фактического рабочего процесса в двигателе обычно показывается с помощью так называемой индикаторной диаграммы, которая графически изображает зависимость давления в цилиндре двигателя от величины перемещения поршня или изменения объема, занимаемого газами. С помощью индикаторной диаграммы можно определить отклонения от рабочего процесса всего двигателя.

Процесс смесеобразования

Процесс смесеобразования представляет собой подготовку рабочей (горючей) смеси воздуха с топливом, что происходит перед впуском смеси в камеру сгорания или во время сгорания.

Для сгорания топливу требуется кислород, который поступает в двигатель в составе воздуха. Для полного сгорания рабочей смеси, при котором углеводороды вместе с кислородом образуют углекислый газ и воду, желательно преобразование в тепло всей энергии, потенциально содержащейся в топливе.

Полного сгорания рабочей смеси можно достичь, если величина коэффициента избытка воздуха Л приближена к 1; в идеале возле каждой частицы топлива должна находиться молекула кислорода, необходимая для окисления. Быстрее и проще всего подготовка смеси происходит в газообразном состоянии. Это объясняет превосходство газовых двигателей в отношении сгорания рабочей смеси и чистоты отработавших газов.

В двигателях, работающих на жидком топливе, для полного сгорания рабочей смеси топливо должно быть преобразовано из жидкого в газообразное состояние. Так как дизельное топливо имеет высокую температуру кипения, обеспечение смесеобразования в дизельных двигателях является для конструкторов серьезной задачей. Молекулы дизельного топлива, представляющие собой цепочку углеводородов, при возрастании температуры и давления склонны к распаду молекул на фрагменты (крекингу), в результате чего образуется сажа, которая не сгорает полностью и делает отработавшие газы излишне токсичными.

Влияние степени сжатия

При изменении степени сжатия Е изменяется качество подготовленности рабочей смеси к сгоранию. Степень сжатия может быть нарушена неправильно подобранной толщиной прокладки, устанавливаемой между головкой цилиндров и блоком, при срезании плоскости головки цилиндра или поршня, изменении длины шатуна или радиуса кривошипа в процессе ремонта.

Увеличение степени сжатия по сравнению с оптимальным значением сопровождается повышением жесткости работы двигателя и максимального давления сгорания.

Снижение величины Е замедляет процесс сгорания и ухудшает экономичность работы.

Влияние угла опережения зажигания

Рис. Влияние угла фз, опережения зажигания на форму индикаторной диаграммы карбюраторного двигателя: 1 — ф1 = 0°; 2 — ф2 = 7°; 3 — ф3 = 22°; 4 — ф4 = 27°.

Величину угла опережения зажигания фз устанавливают при конструировании двигателя. Оптимальное его значение указывают в руководстве по эксплуатации. Нарушение этого угла ведет к ухудшению процесса сгорания и снижению эксплуатационных показателей двигателя.

При уменьшении угла опережения (запаздывании зажигания) период задержки воспламенения увеличивается. В результате этого рабочая смесь сгорает после прохождения поршнем в.м.т., когда объем над ним увеличится. Это приводит к увеличению поверхности теплоотдачи и снижению вихревых движений в камере. Так, например, при оптимальном значении угла фз опережения зажигания, равном 27° до в.м.т., максимальное давление сгорания Pz равно 4 МПа и находится у в.м.т. По мере запаздывания зажигания, в нашем случае при фз = 0°, давление сгорания снижается до 2,6 МПа и смещается в сторону запаздывания.

Вследствие этого двигатель перегревается, а мощность и экономичность его снижаются. Оптимальное значение угла опережения зажигания для данного двигателя составляет 22° (кривая 5). При этом ф3 рабочая смесь хорошо подготовлена к сгоранию, вихревые движения обеспечивают перемешивание горючей смеси. Все это способствует наиболее полному сгоранию топлива вблизи в.м.т., когда объем камеры минимальный.

Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

Для оценки процесса преобразования тепловой энергии топлива в механическую энергию на валу коленчатого вала двигателя применяют индикаторную диаграмму (рис. 4.3), представляющую собой зависимость давления р в цилиндре от его объема V. Количественно работа равна произведению силы на расстояние, на котором данная сила действует. В цилиндре двигателя при перемещении поршня под действием давления газов на площадь поршня создается сила, преобразующаяся затем кривошипно-шатунным механизмом во вращающий момент. Произведение площади поршня на его ход характеризует освобождающийся объем цилиндра. Следовательно, произведение давления газов на величину объема, освобождаемого поршнем, представляет собой работу, совершаемую двигателем. На рис. 4.3 приведена индикаторная диаграмма давление р – объем V для ДВС с внешним смесеобразованием, на оси абсцисс которой указаны объемы камеры сгорания (Vc), рабочий объем цилиндра (Vh), полный объем цилиндра (Vо), а на оси ординат – атмосферное давление (р0), избыточное давление выхлопных газов на такте выпуска (рг), давление на такте впуска (разрежение) (рa), давление в конце такта сжатия (рс) и максимальное давление в процессе рабочего хода (рz).

Линия r–а–1 соответствует первому такту – впуску, когда горючая смесь засасывается в цилиндр. Такт заканчивается закрытием впускного клапана K1 при установлении в цилиндре атмосферного давления р0. Это происходит в начале движения поршня из НМТ в ВМТ.

Линия 1–2 соответствует второму такту – сжатию горючей смеси (степень сжатия ε = Vа/Vс). В точке 2 происходит воспламенение горючей смеси электрической искрой, которая возникает между электродами свечи.

Линия 2–3 соответствует третьему такту – сгорание–расширение, т.е. процессу сгорания горючей смеси с образованием газообразных продуктов сгорания, сопровождающемуся повышением давления.

В этот период поршень совершает свой рабочий ход к НМТ. Это единственный процесс в цилиндре, когда совершается полезная работа. Если процессы, описываемые линиями 1–2–3, происходят при закрытых клапанах К1 и К2, то когда поршень достигает точки 3, открывается выпускной клапан и он остается открытым до момента достижения поршнем ВМТ.

Принцип работы многоцилиндровых двигателей

Плавность и равномерность работы многоцилиндровых двигателей обеспечиваются чередованием рабочих тактов в различных цилиндрах через определенный угол поворота коленчатого вала двигателя. Последовательность чередования одноименных тактов в различных цилиндрах называется порядком работы двигателя. Чередование должно происходить через равные 56 углы поворота коленчатого вала двигателя, величина которых зависит от числа цилиндров двигателя. В четырехтактном двигателе рабочий процесс совершается за два оборота коленчатого вала, т.е. за поворот вала на 720°. Число рабочих ходов равно числу цилиндров двигателя. Их чередование для четырех-, шести- и восьмицилиндровых двигателей будет происходить соответственно через 180, 120 и 90° поворота коленчатого вала.

Порядок работы двигателя во многом зависит от типа двигателя и числа цилиндров. Например, у коленчатого вала рядного четырехцилиндрового двигателя, представленного на рис. 4.5, поршни цилиндров 1 и 4 при работе двигателя перемещаются одновременно в одном направлении, а поршни цилиндров 2 и 3 – в противоположном.

Если в цилиндре 1 происходит сгорание–расширение (рабочий ход), то в цилиндре 4 в это время – впуск. При этом поршни цилиндров 2 и 3 будут двигаться вверх, совершая соответственно выпуск и сжатие. Следовательно, порядок работы цилиндров двигателя будет 1–2–4–3. Чередование тактов в таком двигателе представлено в табл. 4.1.

Диаграмма работы двигателя по схеме 1-2-4-3

Наиболее распространен порядок работы четырехтактного четырехцилиндрового рядного двигателя 1–3–4–2 по причине лучшей балансировки инерционного момента двигателя.

В четырехцилиндровых двигателях рабочие ходы (такты сгорания–расширения) не перекрываются. В шестицилиндровых и восьмицилиндровых двигателях происходит перекрытие рабочих ходов. В них расположение кривошипов таково, что такты не могут начинаться и заканчиваться одновременно, они смещаются на некоторый угол. Например, в шестицилиндровом рядном двигателе при парном расположении шатунных реек в трех плоскостях такты в одной паре смещены на 120°, а такты расширения перекрываются на 1/3 хода поршня. В восьмицилиндровом V-образном двигателе возможно перекрытие рабочих ходов на 1/2 хода поршня. Перекрытие рабочих ходов способствует более равномерному вращению коленчатого вала, уравновешиванию возникающих сил инерции.

Наиболее распространенный порядок работы для шестицилиндрового однорядного бензинового двигателя – 1–5–3–6–2–4, для двухрядного дизеля (V-образный с развалом цилиндров под углом 90°) – 1–4–2–5–3–6. Для восьмицилиндровых двигателей распространен порядок 1–5–4–2–6–3–7–8.

При одном и том же расположении шатунных шеек коленчатого вала отличие порядка работы цилиндров двигателя связано с другой последовательностью открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов, что зависит от конструкции газораспределительного механизма.

Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.

Многоцилиндровые двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях цилиндры расположены вертикально, а в V-образных — под углом. Последние характеризуются меньшей габаритной длиной по сравнению с первыми. Современные восьмицилиндровые двигатели выполняют двухрядными с V-образным расположением цилиндров.