Определение рабочего цикла

Поступление горючей смеси в цилиндр, ее сжатие, расширение при сгорании и выпуск отработавших газов из цилиндра, т. е. совокупность всех процессов, происходящих в цилиндре при работе двигателя, называется рабочим циклом.

Полный рабочий цикл каждого цилиндра двигателя может совершаться за четыре хода поршня, т. е. за два оборота коленчатого вала, и за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала.

Двигатели, работающие по первому циклу, называются четырехтактными, а работающие по второму циклу — двухтактными.

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 продувку приводят практически к увеличению мощности только на 60...70%.

Рабочий цикл карбюраторного двигателя

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя начинается с такта впуска и происходит следующим образом.

Такт впуска (рис. 1): коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот и поршень движется от В. М. Т. к  Н. М. Т. При этом впускной клапан открыт, а выпускной закрыт. Вследствие разрежения, создаваемого при движении поршня, в цилиндр засасывается горючая смесь. По достижении поршнем Н. М. Т. впускной клапан закрывается.

 

Рис.1. Такт впуска

Такт сжатия (рис. 2): коленчатый вал двигателя делает второй полуоборот и поршень от Н. М. Т. движется к В. М. Т. Оба клапана закрыты, рабочая  смесь сжимается поршнем. (Рабочей смесью называют смесь, образующуюся в цилиндре двигателя при смешивании поступающей в него при такте впуска горючей смеси с остаточными газами (сгоревшими газами, оставшимися от предыдущего цикла). По достижении поршнем В. М. Т. в конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется электрической искрой.

 

Рис.2. Такт сжатия

Такт расширения — рабочий ход (рис. 3): поршень под давлением газов, образующихся при сгорании рабочей смеси, движется от В.М.Т. к Н.М.Т. Коленчатый вал двигателя делает третий полуоборот. Оба клапана закрыты.

 

 

Рис.3. Такт расширения — рабочий ход

Такт выпуска (рис. 4): коленчатый вал двигателя делает четвертый полуоборот. Выпускной клапан открыт, а впускной закрыт. Поршень перемещается от Н.М.Т. к В.М.Т. и выталкивает отработавшие газы.

 

Рис.4. Такт выпуска

В четырехтактном одноцилиндровом двигателе коленчатый вал вращается под действием давления расширяющихся газов только при рабочем ходе. Для совершения вспомогательных тактов (впуска, сжатия и выпуска), а также для повышения равномерности вращения коленчатого вала на его конце устанавливается маховик, представляющий собой чугунный диск, который вращается по инерции после рабочего хода двигателя.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Рабочий цикл четырехтактного дизеля происходит в той же последовательности, что и у карбюраторного двигателя. Отличие работы дизеля состоит в следующем.

При такте впуска (рис. 5, а) в цилиндр двигателя засасывается из впускного трубопровода очищенный от пыли воздух, а не горючая смесь, как это было  в карбюраторном двигателе.

 

Рис.5. Рабочий цикл дизеля

При такте сжатия (рис. 5,б) происходит сжатие поступившего в цилиндр воздуха. В конце такта сжатия давление в цилиндре возрастает до 40—42 кГ/см2, а температура воздуха повышается до 740—800° С. В этот момент в цилиндр через форсунку при помощи топливного насоса  под давлением 150 кГ/см2 впрыскивается распыленное дизельное топливо.

При такте расширения (рис. 5, б) вследствие высокой температуры сжатого воздуха топливо воспламеняется и быстро сгорает. При этом давление в цилиндре резко возрастает и достигает в конце сгорания 74—80 кГ/см2. Повышенным давлением газов поршень перемещается к н. м. т., т. е. происходит рабочий ход.

При такте выпуска (рис. 5, г) отработавшие газы выталкиваются из цилиндра через открывшийся выпускной клапан.

При дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

Рабочий цикл двухтактного двигателя

Двигатель (рис.6) состоит из картера, в который на подшипниках с двух сторон установлен коленчатый вал и цилиндра. Внутри цилиндра движется поршень - металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива, в промежутке между поршнем и стенками цилиндра. Поршень снабжен металлическим стержнем - пальцем, он соединяет поршень с шатуном. Шатун передаёт прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Далее уже, в частности на мотороллере, вращательное движение передается на вариатор.

 

Рис.6. Двухтактный двигатель

Смазка всех трущихся поверхностей и подшипников внутри двухтактных двигателей происходит с помощью топливной смеси, в которое подмешано необходимое количество масла. Из рисунка 1 видно, что топливная смесь (желтый цвет) попадает и в кривошипную камеру двигателя (это та полость, где закреплен и вращается коленчатый вал), и в цилиндр. Смазки там нигде нет, а если бы и была, то смылась топливной смесью. Вот по этой причине масло и добавляют в определенной пропорции к бензину. Тип масла используется специальный, именно для двухтактных двигателей. Оно должно выдерживать высокие температуры и сгорая вместе с топливом оставлять минимум зольных отложений.

Принцип работы

Весь рабочий цикл в двигателе осуществляется за два такта.

1. Такт сжатия. Поршень перемещается от нижней мертвой точки поршня (в этом положении поршень находится на рис. 7),  к верхней мертвой точке поршня (положение поршня на рис.8), перекрывая сначала продувочное 2, а затем выпускное 3 окна. После закрытия поршнем выпускного окна в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере 1 вследствие ее герметичности и после того как поршень перекрывает продувочные окна 2, под поршнем создается разряжение, под действием которого из карбюратора через впускное окно и открывающийся клапан поступает горючая смесь в кривошипную камеру.

 

Рис.7

2. Такт рабочего хода. При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь 1 (рис. 8) 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, опускаясь вниз, поршень создает высокое давление в кривошипной камере (сжимая топливовоздушную смесь в ней). Под действием давления клапан закрывается, не давая таким образом горючей смеси снова попасть во впускной коллектор и затем в карбюратор.

 

Рис.8

Когда поршень дойдет до выпускного окна 1 (рис. 9), оно открывается и начнется выпуск отработавших газов в атмосферу, давление в цилиндре понижается.

 

Рис.9

При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное окно 1 (рис. 10) и сжатая в кривошипной камере горючая смесь поступает по каналу 2 (рис. 10), заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков отработавших газов.

 

Рис.10

Далее цикл повторяется.

Силы, действующие в кривошипно-шатунном механизме

В одноцилиндровом двигателе рабочий ход осуществляется под действием создаваемого в цилиндре давления газов (рис. 11), которое можно представить в виде результирующей силы, состоящей из силы Рr — давления газов на днище поршня при такте расширения и силы инерции Ри поступательно движущихся масс кривошипно-шатунного механизма. Сила инерции изменяется в зависимости от скорости перемещения поршня, а также его положения в цилиндре и достигает наибольшей величины в момент изменения направления движения поршня.

 

Рис. 11. Силы, действующие от давления газов в одноцилиндровом двигателе:

Сила Рr может быть разложена по правилу параллелограмма на две составляющие: силу F, направленную вдоль шатуна, и силу N, направленную перпендикулярно стенке цилиндра. При переносе силы F по линии ее действия к центру шатунной шейки на оси коренной шейки возникают две равные и параллельные ей силы S1 и S2.

Совместное действие сил S1 и F создает на плече R, равном радиусу кривошипа, крутящий момент, Н • м, который передаётся через трансмиссию на колеса автомобиля. При этом сила S2 создает нагрузку на коренные подшипники, а вращающиеся массы кривошипа и нижней головки шатуна создают центробежную силу Рц, направленную от центра вращения по радиусу кривошипа, которая нагружает картер двигателя.

Сила S2 сможет быть также разложена на две составляющие: N1 и  P1. Силы N1 и N равны, но направлены в противоположные стороны. Совместное действие этих сил создает на плече h реактивный момент, который стремится опрокинуть двигатель в сторону, обратную вращению коленчатого вала. Реактивный момент через детали крепления (подвески) двигателя воспринимается рамой (кузовом) автомобиля.

Сила Р1 направлена вниз от оси вала и равна силе Рr, а результирующая сила Рr ¢ давления газов действует на головку цилиндра и направлена в противоположную сторону. Разность между силами Р1и Рr ¢ представляет собой силу инерции Ри поступательно движущихся масс.

Следовательно, в одноцилиндровом двигателе наряду с неравномерностью крутящего момента на коленчатом валу возникают неуравновешенные силы и моменты от поступательно движущихся масс, отрицательное действие которых значительно снижается при увеличении числа цилиндров, т.е. при создании многоцилиндровых двигателей.

 Классификация и компоновочные схемы двигателей

Наиболее распространенные схемы компоновок цилиндров многоцилиндровых двигателей представлены на рис. 12. При однорядных схемах компоновки (рис. 12, а) ось цилиндра 1 занимает вертикальное положение (это двигатели автомобилей ВАЗ-2106 «Жигули», ГАЗ-3302 «ГАЗель», ГАЗ-3110 и -3102 «Волга» и др.) или расположены под некоторым углом α к вертикали (рис. 12, б), равным 15... 20°, что позволяет уменьшить высоту двигателя и удобнее располагать его приборы и оборудование.

 

Рис. 12. Схемы компоновки цилиндров двигателей:

а — однорядная вертикальная; б — однорядная под углом α; в — двухрядная V-образная (под углом β); г — двухрядная: 1 — цилиндры

На большинстве грузовых автомобилей применяют двухрядную V-образную (под углом β) компоновку (рис. 12, в) цилиндров 1 (двигатели автомобилей ЗИЛ-431410, КамАЗ-5320, МАЗ-5335. «Урал-4320», ГАЗ-3309 и ГАЗ-3307). Наряду с этим применяется также и двухрядная компоновка (рис. 12, г) под углом 180° с противолежащими цилиндрами  1. Двигатели с таким расположением цилиндров иногда называют оппозитными, они удобно располагаются под полом кузова (например, двигатели РАБА-МАН в автобусах «Икарус-260, -280»).

Многоцилиндровые двигатели  состоят из нескольких одноцилиндровых двигателей, конструктивно объединенных в единое целое и имеющих один общий коленчатый вал. В таком двигателе за два оборота коленчатого вала рабочих ходов будет совершено столько, сколько у него цилиндров, а так как два оборота коленчатого вала соответствуют 720°, то такты рабочего хода будут чередоваться через равные угловые интервалы θ в зависимости от числа цилиндров i. Следовательно, θ = 720/i.

Например, в четырех-, шести- и восьмицилиндровых двигателях рабочие ходы совершаются при повороте коленчатого вала соответственно на 180, 120 и 90°. В каждом цилиндре указанных двигателей происходит один и тот же рабочий процесс, но одноимённые такты совершаются в разные моменты времени; при этом чередование тактов в цилиндрах двигателей выбирают так, чтобы обеспечить равномерное распределение нагрузки на подшипники коленчатого вала и плавную работу двигателя.

Порядок работы двигателя

Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах двигателя в течение рабочего цикла называется порядком работы двигателя. Принято указывать порядок работы двигателя по чередованию тактов рабочего хода, начиная с первого цилиндра.

Порядок работы двигателя во многом зависит от типа двигателя и числа цилиндров. Так, у коленчатого вала рядного четырёхцилиндрового двигателя (рис. 13, а) кривошипы расположены попарно под углом 180°, два крайних — под углом 180° к двум средним.

 

Рис. 13. Схемы кривошипно-шатунного механизма рядных двигателей:

а — четырехцилиндрового; б — шестицилиндрового; 1—6 — номера цилиндров; I —VI — кривошипы коленчатого вала соответственно цилиндров 1—6

Соответственно поршни цилиндров 1 и 4 при работе двигателя перемещаются одновременно в одном направлении, а поршни цилиндров 2 и 3 — в противоположных. Порядок работы четырехцилиндровых двигателей может быть 1—3 — 4 — 2 (двигатели автомобилей семейств ВАЗ, «Москвич-21412» и др.) или 1 — 2 — 4 — 3 (двигатели автомобилей ГАЗ-31029, ГАЗ-3110 «Волга», ГАЗ-3302 «ГАЗель» и их модификаций). Четырехцилиндровый двигатель может иметь и другой порядок работы при том же расположении кривошипов коленчатого вала, но при другом порядке открытия и закрытия клапанов, что зависит от конструкции механизма газораспределения.

В шестицилиндровом рядном двигателе шатунные шейки коленчатого вала (рис. 13, б) расположены попарно в трех плоскостях. Такты во всех цилиндрах двигателя в соответствии с расположением кривошипов начинаются и кончаются не одновременно, как в четырехцилиндровом двигателе, а смещаются в одной паре цилиндров относительно другой на угол 120°, и, следовательно, рабочие ходы перекрываются на 1/3 хода поршня, обеспечивая тем самым более равномерное вращение коленчатого вала. Наиболее распространенным порядком работы карбюраторного шестицилиндрового рядного двигателя является 1 — 5 — 3 — 6 — 2 — 4.

Для шестицилиндровых дизелей наиболее совершенным является V-образный вариант двигателя с развалом цилиндров под углом 90° (рис. 14, а) и порядком работы 1 —4 — 2 — 5 — 3 — 6 (дизель ЯМЗ-236М2), Широкое распространение дизелей и карбюраторных двигателей с V-образным расположением цилиндров является следствием преимуществ компоновочных схем этого типа по сравнению с компоновочными схемами рядных двигателей. К преимуществам таких двигателей относятся меньшая высота и габаритная длина, что дает возможность улучшить компоновку автомобиля в целом. Недостатками V-образных двигателей являются более сложная отливка блока и увеличение габаритной ширины по сравнению с рядным двигателем.

 

Рис. 14. Схема кривошипно-шатунного механизма V-образных двигателей:

а — шестицилиндрового; б — восьмицилиндрового; 1 — 8 номера цилиндров; I — VI I I — кривошипы коленчатого вала соответственно цилиндров 1—8

 

На грузовых автомобилях ЗИЛ-431410, ГАЗ-3307, КамАЗ-5320 и других установлены восьмицилиндровые V-образные двигатели (рис. 14, б), цилиндры которых расположены в два ряда по ходу автомобиля. Угол развала между рядами цилиндров составляет 90°. Один ряд цилиндров несколько смещен относительно другого ряда, что обусловлено установкой двух шатунов на каждую шейку коленчатого вала. На каждой шатунной шейке коленчатого вала установлено по два шатуна, которые связаны с поршнями правого и левого рядов цилиндров.

В восьмицилиндровом V-образном двигателе с порядком работы 1—5 — 4 — 2 — 6 — 3 — 7 — 8 рабочие ходы следуют один за другим с перекрытием на 1/2 хода поршня. Это обеспечивает не только равномерное вращение коленчатого вала, но и уравновешивание сил инерции, возникающих в процессе работы двигателя.

Эффективные показатели работы двигателя

Мощность, получаемая на коленчатом валу двигателя, называется эффективной мощностью. Она измеряется в киловаттах и на различных режимах работы двигателя может быть определена путём стендовых испытаний по формуле

Ne = Меnе/9570,

где Ме — эффективный крутящий момент двигателя, Н·м, определяемый на стенде; nе — частота вращения коленчатого вала, об/мин.

Эффективная мощность меньше индикаторной на величину мощности, затрачиваемой на насосные потери в кривошипно-шатунном и трение в газораспределительном механизмах двигателя, а также на приведение в действие вентилятора, жидкостного насоса и других вспомогательных устройств.

Таким образом, эффективная мощность Ne меньше, чем индикаторная мощность Ni на величину мощности механических потерь Nм, расходуемой в механизмах и системах двигателя, т.е. Ne=Ni- Nм.

Механическим коэффициентом полезного действия ƞм двигателя называют отношение эффективной мощности Ne к индикаторной Ni. Следовательно, механический КПД

ƞм = Ne / Ni = (Ni - Nм )/Ni= 1- Nм / Ni.

В карбюраторных двигателях ƞм - 0,70...0,85, а в высокооборотных дизелях ƞм = 0,73...0,87.

Наряду с эффективной мощностью к основным показателям, характеризующим работоспособность двигателя, относится эффективный крутящий момент, который является результирующим моментом сил, действующих на каждую шатунную шейку коленчатого вала и приводящих его во вращательное движение. При заданной мощности двигателя и частоте вращения коленчатого вала эффективный крутящий момент можно определить из соотношения Ме = 9570(Ne/ne). Например, для карбюраторных двигателей легковых автомобилей Ме = 70... 190 Нм.

Важным показателем, оценивающим совершенство двигателя по эффективности использования его рабочего объема, является так называемая литровая мощность Nл = Nе/Vh, кВт/л, т.е. максимальная мощность двигателя Ne, приходящаяся на 1 л его рабочего объема Vh. Чем выше Nл, тем лучше технико-экономические показатели двигателя.

Литровую мощность увеличивают обычно путем повышения степени сжатия двигателя, частоты вращения коленчатого вала, коэффициента наполнения и массы свежей горючей смеси, поступающей в цилиндры двигателя. Однако при увеличении литровой мощности возрастают нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма.

Для карбюраторных двигателей Nл = 18...40 кВт/л (меньшее значение для грузовых автомобилей), а для высокооборотных дизелей Nл = 15... 25 кВт/л.

Степень использования теплоты, введенной в двигатель с топливом, оценивают эффективным КПД— ƞе, который представляет собой отношение количества теплоты Qe, превращенной в эффективную работу, к количеству теплоты Q1, выделившейся в результате сгорания топлива:

ƞе =  Qe/Q1.

Для карбюраторных двигателей ƞе = 0,23...0,30; для дизелей ƞе = 0,28. ..0,40.

К показателям, характеризующим топливную экономичность двигателя, относится расход топлива.

Часовой расход топлива Gm показывает количество топлива в килограммах, потребляемое двигателем на данном режиме работы за один час.

Для оценки экономичности двигателя обычно пользуются эффективным удельным расходом топлива ge, представляющим собой отношение часового расхода топлива Gm к эффективной мощности двигателя Ne:

ge = Gm /Ne.

Для карбюраторных двигателей ge = 280...340 г/(кВт·ч); для дизелей ge = 220...260 г/(кВт·ч).

С изменением частоты вращения коленчатого вала двигателя кроме мощности Ne соответственно изменяются крутящий момент Ме, удельный ge и часовой Gm расходы топлива.

Зависимость этих величин от частоты вращения коленчатого вала, выраженная графически, называется скоростной характеристикой двигателя. Скоростная характеристика, полученная при полном открытии дроссельной заслонки (максимальной подаче топлива), называется внешней скоростной характеристикой двигателя. Характеристики, соответствующие постоянным промежуточным положениям дроссельной заслонки или промежуточным подачам топлива у дизелей, называются частичными скоростными характеристиками двигателя.

Эти характеристики получают экспериментальным путем на специальных тормозных стендах после обкатки новых двигателей. Принцип получения основных показателей для построения внешней (скоростной) характеристики на стенде (рис. 15) состоит в том, что коленчатый вал двигателя, работающего с определённым постоянным положением дроссельной заслонки, затормаживают, доводя таким образом частоту его вращения до ряда определённых устойчивых значений: от минимально возможной до максимально допустимой. При этом замеряют тормозной момент Mторм, необходимый для достижения каждой частоты вращения, и соответствующий этим частотам часовой расход топлива GT.

По результатам испытаний строят кривые зависимости эффективного крутящего момента (Ме = Mторм) и часового расхода топлива Gm, от частоты вращения nе коленчатого вала. Затем, используя приведенные выше зависимости для определения Ne и ge, находят соответственно численные значения мощности и удельного расхода топлива для различных частот вращения коленчатого вала и строят по ним графики.

 

 

 

Рис. 15. Внешние скоростные характеристики двигателей автомобилей: а — ЗАЗ-1102 «Таврия»; б - ГАЗ-3307

В качестве примера на рис 15, а, б показаны внешние скоростные характеристики двигателей легкового автомобиля ЗАЗ-1102 «Таврия» и грузового автомобиля ГАЗ-3307. Из характеристики (см. рис. 15, а) видно, что мощность Ne двигателя автомобиля ЗАЗ-1102, равная 39 кВт, развивается при частоте вращения коленчатого вала nе - 5500 об/мин. Максимальный крутящий момент двигателя Ме = 80,4 Н·м при частоте вращения вала около 3300 об/мин, а минимальный удельный расход топлива ge = 280 г/(кВт·ч).

Для двигателя автомобиля ГАЗ-3307 эти показатели (рис. 15, б) соответственно равны: мощность Ne = 92 кВт при частоте вращения коленчатого вала 3200 об/мин, максимальный крутящий момент Ме = 294,3 Н·м при 2000... 2200 об/мин и минимальный удельный расход топлива ge = 310 г/(кВт·ч). Внешние (скоростные) характеристики других карбюраторных двигателей имеют свои значения, но кривые имеют примерно аналогичный вид.

 

Использованные источники

1. Пузанков А.Г.   Автомобили: устройство и техническое обслуживание: учебник для студ. Учреждений сред. проф. образования/ - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 640 с.

2. Морозов Н.Д. и др. Устройство и ремонт автомобилей. Учебник, Изд.2-е, перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1972.-304с.

3. Иллюстрации, находящиеся в сети Интернет в свободном доступе.

4. Материалы, размещенные на сайтах:

avtotut.ru/ 

autoustroistvo.ru/

ru.wikipedia.org/

whatisvehicle.wordpress.com/

Для закрепления полученных знаний просмотрите видеоролик "Как это устроено? Четырёхтактный двигатель."

Просмотр доступен только для авторизованных пользователей сайта.