Научный журнал Фундаментальные исследования ISSN 1812-7339 Перечень ВАК ИФ РИНЦ 1,441

Что такое рабочий циклом двигателя

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – это тепловая машина, преобразующая теплоту, выделенную при сгорании топлива, в механическую работу. Термодинамический цикл поршневого ДВС представляет собой последовательно повторяющиеся процессы. Основными циклами ДВС являются: цикл Отто, цикл Дизеля и цикл Сабатэ – Тринклера [3]. Такие циклы на сегодняшний день называют традиционными, они включают процессы: впуск свежего заряда; сжатие; сгорание и расширение; выпуск. В четырехтактном ДВС все эти процессы разделены по тактам: первый – впуск, второй – сжатие, третий – рабочий ход, четвертый – выпуск. В двухтактном ДВС процессы объединены в одном такте: первый – впуск и сжатие, второй – рабочий ход и выпуск.

Как известно, традиционные циклы имеют невысокий коэффициент полезного действия (КПД), так как введенная с топливом в двигатель теплота теряется на нагрев деталей и отвод охлаждающей жидкостью системы охлаждения, выпускными газами, маслом смазочной системы, теряется из-за неполноты сгорания топлива. Эти потери могут составлять от 52 до 78 % [1]. Поэтому для повышения топливной экономичности и КПД ДВС необходимо рассматривать нетрадиционные циклы, позволяющие дополнительно использовать теплоту, отданную в систему охлаждения и с отработавшими газами, обеспечивающие полное и качественное сгорание топлива.

Двигатели с нетрадиционными рабочими циклами подробно рассмотрены в работе [4], где рассмотрены основные направления и методы модифицирования рабочего процесса ДВС. Оценка эффективности протекания рабочего процесса в ДВС предложена в работе [5] и предусматривает отношение длительности одного рабочего цикла, выраженного в углах поворота коленчатого вала (ПКВ), к длительности всех рабочих ходов в одном рабочем цикле, выраженных в углах ПКВ:

, (*)

где Т – длительность одного рабочего цикла, выраженного в углах поворота коленчатого вала;

Тр – длительность всех рабочих ходов в одном рабочем цикле, выраженных в углах поворота коленчатого вала.

Формула (*) показывает, что чем ниже критерий k, тем выше эффективность протекания рабочего процесса в ДВС.

Анализ нетрадиционных циклов с точки зрения повышения КПД ДВС показывает, что наиболее перспективным будет цикл с добавленными тактами. Например, двигатель Крауэра [2]. Первые три такта: впуск, сжатие, расширение (рабочий ход) в этом двигателе протекают как в традиционном цикле, но на четвертом такте газы не выводятся из цилиндра, а вновь сжимаются и в конце сжатия в цилиндр подводится водяной пар, который, расширяясь на пятом такте, совершает полезную работу. Отработавшие газы и пар выводятся из цилиндра на шестом такте. Таким образом, в соответствии с формулой (*) критерий эффективности данного двигателя составит 3, тогда как для традиционного четырехтактного ДВС он равен 4.

Двигатели с добавленными тактами имеют перспективу лучшей экономичности за счет утилизации теплоты отведенной от нагретых деталей цилиндропоршневой группы, а также за счет продолженного расширения рабочего тела.

В качестве примера ДВС с продолженным расширением рабочего тела можно привести пятитактный двигатель [4, 5], имеющий три цилиндра: два крайних цилиндра работают по классической четырехтактной схеме, а третий – средний – используется для продолженного расширения газов, поочередно поступающих из двух крайних цилиндров. Как только поршень в одном из крайних цилиндров достигает нижней мертвой точки в конце такта рабочего хода, выпускной клапан открывается, и отработавшие газы вытесняются поршнем в средний цилиндр, толкая его вниз и создавая дополнительный пятый такт. Таким образом, за 720 ° ПКВ в трех цилиндрах реализуется два рабочих цикла и в каждом из них совершается два рабочих хода (табл. 1). Критерий эффективности данного двигателя выше традиционного четырехтактного ДВС и составляет 2.

С точки зрения утилизации энергии выхлопных газов и теплоты, отводимой стенками цилиндропоршневой группы, предлагается конструкция ДВС с реализацией рабочего цикла по семитактной схеме.

Конструкция включает основной цилиндр 3 (рис. 1), в котором реализуется традиционный четырехтактный цикл и дополнительный цилиндр 12, в котором реализуются два рабочих хода: один за счет вытеснения газов из основного цилиндра, второй за счет пара впрыснутой воды. Весь рабочий цикл такого двигателя протекает за семь тактов (табл. 2).

Процессы, протекающие в цилиндрах пятитактного ДВС

Рабочие циклы четырёхтактных двигателей

Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из последовательно происходящих в цилиндре процессов: всасывания, сжатия, сгорания, расширения и выпуска. Часть рабочего цикла, протекающая за один ход поршня, называется тактом.

В зависимости от способа смесеобразования и сгорания топлива рабочие циклы подразделяются на циклы быстрого сгорания, или сгорания при V = const (бензиновые двигатели), циклы постепенного сгорания, или сгорания при p = const (компрессорные дизели) и циклы смешанного сгорания, или сгорания при V = const и p = const (бескомпрессорные дизели).

Так как на судах морского флота бензиновые двигатели практически не применяются (используются только в переносных мотопомпах), а постройка компрессорных дизелей прекращена в 30-х годах, индикаторные диаграммы этих циклов приведены на рисунке №7 без пояснений в тексте.

Схема работы четырехтактного дизеля и индикаторные диаграммы процессов цикла смешанного сгорания представлены на рисунке №8.

1 – процесс впуска начинается в точке т, т.е. когда поршень еще не дошел до в.м.т. В этот момент начинается открываться впускной клапан и воздух устремляется в цилиндр. По мере движения поршня к н.м.т. цилиндр наполняется воздухом. Однако к приходу поршня в н.м.т. впускной клапан еще открыт. Это объясняется тем, что при последующем движения поршня к в.м.т. давление в цилиндре какой-то период времени еще ниже атмосферного, благодаря чему впуск воздуха в цилиндр продолжается. Способствует этому и инерция потока воздуха, движущегося в цилиндр даже по достижении внутри него давления, близкого к атмосферному. Давление в процессе впуска Рa = 0,85 ÷ 0,9 бар, температура ta = 30 ÷50 °C. В точке n закрывается впускной клапан, и процесс впуска заканчивается.

2 – процесс сжатия начинается с момента закрытия впускного клапана и совершается по мере движения поршня к в.м.т. При этом повышаются давление и температура находящегося в цилиндре воздуха. В конце процесса в точке с давление достигает Рс = 35 ÷50 бар и температура tc = 500 ÷ 600 °C. Повышение температуры воздуха до такой величины обеспечивает самовоспламенение топлива, впрыскиваемого в этот момент в цилиндр.

3 – процессы сгорания и расширения. Сгорание топлива начинается при подходе поршня в в.м.т (точка с). Первая часть топлива сгорает быстро, практически при постоянном объеме (с — y), в результате чего резко возрастает давление в цилиндре. Остальное топливо сгорает при почти неизменном давлении в цилиндре (y — z). В точке z сгорание топлива заканчивается. В этот момент давление в цилиндре достигает Рz = 50 ÷ 65 бар и температура tz = 1400 ÷ 1600 °C. Образовавшиеся при сгорании топлива газы, обладающие значительной внутренней энергией, расширяются. В результате этого поршень перемешается к н.м.т., совершая рабочий ход.

4 — процесс выпуска начинается в момент начала открытия выпускного клапана (точка Ь). К этому времени давление в цилиндре понижается до Рn 2,5 ÷ 4,0 бар и температура до tB 600 ÷ 8000 °C. Начало выпуска до прихода поршня в Н. М. т. объясняется необходимостью обеспечить более полную очистку цилиндра от отработавших газов. Выпуск газов продолжается в течение всего хода поршня к в. М. т. И заканчивается после в. м. т. (точка 1).

Как видно из рисунка №8, от точки т до точки 1 открыты как выпускной, так и впускной клапаны. Это обеспечивает лучшую очистку камеры сгорания от отработавших газов за счет использования инерции потока и носит название перекрытия клапанов.

Общее устройство и рабочий цикл двигателя автобуса

В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает непосредственно внутри цилиндров двигателя, и тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании, преобразуется в механическую работу.

По рабочему процессу двигатели разделяются на четырех­тактные и двухтактные, а по способу приготовления го­рючей смеси и ее воспламенения на карбюраторные и ди­зельные.

Основной его частью является цилиндр с укрепленной на нем съемной головкой. Цилиндр и его головка имеют рубашку охлажде­ния, которая является составной частью системы охлаждения двига­теля. В резьбовое отверстие головки цилиндра ввернута свеча за­жигания, воспламеняющая смесь при помощи электрической искры. Внутри цилиндра помещен поршень, в верхней части которого уста­новлено несколько поршневых колец для уплотнения. С помощью поршневого пальца поршень шарнирно соединен с кривошипом колен­чатого вала, который вращается в подшипниках, установленных в верхней части картера. На заднем конце коленчатого вала укреплен ма­ховик, который служит для повышения равномерности вращения ко­ленчатого вала. В нижнюю часть картера (поддон) заливают масло для смазки трущихся деталей двигателя.

Приготовленная в карбюраторе смесь поступает в цилиндр через впускной клапан. Отработавшие газы удаляются в атмосферу через выпускной клапан. Клапаны открываются при набегании на тол­катели кулачков распределительного вала, который приводится во вращение от коленчатого вала распределительными шестернями. При сбегании кулачков клапаны закрываются под действием пружин.

Как видно из вышесказанного, двигатель состоит из кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, систем охлаж­дения, смазки, питания и зажигания.

Совокупность процессов, периодически повторяющихся в опре­деленной последовательности в цилиндре двигателя во время его ра­боты, называется рабочим циклом.

Карбюраторные двигатели автомобилей четырехтактные. В четы­рехтактном двигателе рабочий цикл совершается за четыре такта — впуск, сжатие, рабочий ход (сгорание и расширение) и выпуск.

Тактом называется процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня.

Ходом поршня называется путь, проходимый поршнем от одной мертвой точки до другой.

Мертвыми точками называются крайние верхние и нижние положения поршня. Верхняя мертвая точка сокращенно обоз­начается в. м. т., нижняя мертвая точка — н. м. т.

Рабочий объем цилиндра — объем, освобождаемый поршнем при движении от в. м. т. до н. м. т. Сумма рабочих объемов всех цилиндров называется литражом двигателя.

Объем камеры сгорания (ее иногда называют так­же камерой сжатия) — объем над поршнем, находящимся в в. м. т.

Полный объем цилиндра — рабочий объем цилиндра плюс объем камеры сгорания.

Степень сжатия — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия выражается отвлечен­ным числом, показывающим, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания.

Индикаторная мощность — мощность, развиваемая газами, расширяющимися в цилиндрах двигателя (без учета потерь).

Эффективная мощность — мощность, развиваемая на коленчатом валу двигателя. Такая мощность на 10 — 15% меньше инди­каторной за счет потерь на трение в двигателе и приведение в движе­ние всех вспомогательных механизмов.

Литровой мощностью называется наибольшая эффек­тивная мощность, получаемая с одного литра рабочего объема (лит­ража)цилиндров двигателя.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя протекает следующим образом:

1-й такт — впуск. При движении поршня от в. м.т.к.н.м.т. (вниз) в цилиндре за счет увеличения объема создается разрежение 0,8 — О,У кгс/см² , под действием которого из карбюратора через открывающийся впускной клапан в цилиндр поступает горючая смесь — смесь паров бензина с воздухом. В цилиндре горючая смесь смешивается с оставшимися в нем от предшествующего рабочего цикла отработавшими газами и образует рабочую смесь

2-й такт — сжатие. Поршень движется от н. м. т. к в. м. т. (вверх), при этом оба клапана закрыты. Так как объем в цилиндре уменьшается, происходит сжатие рабочей смеси в 6,5 — 6,7 раза;

3-й такт — рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется электрической искрой и быстро сгорает. При этом выделяется много тепла и газы, расширяясь, создают сильное давление на поршень, перемещая его вниз. Сила давления газов от поршня передается через поршневой палец и шатун на коленчатый вал, образуя на нем определенный крутящий момент. Во время рабочего хода тепловая энергия преобразуется в механическую работу.

4-й такт — выпуск. После совершения полезной работы поршень движется от н.м.т.к.в.м.т. (вверх) и выталкивает отработавшие газы наружу через открывающийся выпускной клапан.

Для получения равномерного вращения коленчатого вала делают многоцилиндровые двигатели.

На изучаемых отечественных автобусах установлены восьмицилиндровые карбюраторные двигатели внутреннего сгорания. За два оборота коленчатого вала происходит восемь рабочих ходов.

Рабочий процесс дизельных двигателей отличается от рабочего процесса карбюраторных двигателей.

Если в цилиндры карбюраторных двигателей поступает горючая смесь, состоящая из паров топлива с воздухом, то в цилиндры дизельных двигателей поступает только воздух, который при высокой степени сжатия (16,5) приобретает температуру выше температуры самовоспламенения топлива; топливо впрыскивается в цилиндры под высоким давлением и самовоспламеняется без подачи искры.

Чередование тактов дизельных четырехтактных двигателей протекает в такой же последовательности, как и карбюраторных, но по­казатели давления и температуры другие. В этом можно убедиться при рассмотрении рабочего процесса дизельного четырехтактного двигателя.

Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного дизельного двигателя включает следующие такты.

Впуск — поршень перемещается вниз (от головки цилиндров). Впускной клапан открыт. Из выпускного трубопровода поступает чис­тый воздух. Давление в цилиндре в конце впуска 0,85 — 0,90 кн./см², температура 40 — 60° С.

Сжатие. Поршень перемещается вверх. Оба клапана закрыты. Происходит сжатие воздуха в 16 — 17 раз, давление возрастает до 40 — 42 кгс/см 2 , температура до 740 — 800°С

Рабочий ход. В конце такта сжатия через форсунку под высоким давлением впрыскивается в мелкораспыленном состоянии тяжелое дизельное топливо. Под действием высокой температуры оно воспламеняется, выделяя большое количество тепла и создавая вы­сокое давление. Температура достигает 1800 — 2000° С, а давление 80 — 90 кгс/см 2 .

Под действием давления газов поршень перемещается вниз и приводит во вращение коленчатый вал. В конце такта расширения давле­ние газов снижается до 2 — 4 кгс/см 2 , температура до 800 — 1100° С.

Выпуск. При такте выпуска выпускной клапан открыт, поршень поднимается вверх и выталкивает газы из цилиндра. Давление к концу выпуска падает до 1,05 — 1,15 кгс/см 2 , а температура до 200 — 300° С

При дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется.

Для дизельного двигателя используют более тяжелое дешевое топливо. Недостатками дизельного двигателя являются: повышенный шум при работе, необходимая высокая точность приборов питания и увеличенная масса.

Рабочие циклы ДВС.

Что такое рабочие циклы двигателя внутреннего сгорания — расскажем в этой сатье.

Что такое рабочие циклы? Это строгое последовательное выполнение тактов, они повторяются всеми цилиндрами двигателя с четкой периодичностью и являются составляющей частью цикла. Двигатели всех автомобилей сейчас четырехтактные. Значит один цикл, будет состоять из 4 тактов, а каждый из тактов выполняется за 1 ход поршня. Это может быть как крайнее верхнее, так и крайнее нижнее положение («мертвые» точки). Не будет лишним дополнить, что цикл в таком моторе совершается за 2 оборота коленвала.

Музыка или такты в двигателе:

• Впуск – здесь работа цикла начинается, когда поршень начинает движение вниз, создавая вакуум в цилиндре сверху поршня. Клапан впуска открывается и под действием силы всасывания в него всасывается порция топливной смеси. Если дополнительно установлен нагнетатель, то смесь будет подаваться под давлением.
• Сжатие – движение поршня в этом такте устремлено вверх. Клапана впуска и выпуска в этот момент закрыты, содержимое цилиндра сжимается. Во время сжатия смесь хорошо перемешивается и на пике сжатия запускается процесс воспламенения с помощью свечи зажигания. На свече зажигания генерируется высоковольтный электрический импульс. Получает его свеча от катушки зажигания. Для двигателя с четырьмя цилиндрами используют четыре свечи, по одной на каждый цилиндр. По аналогии в трех, шести, восьми, десяти и двенадцати цилиндровом двигателе.
• Рабочий ход – поршень опускается к нижней точке под огромным давлением увеличивающихся газов. В этот момент впускной и выпускной клапан остаются закрытыми. Коленчатый вал приводит в движение шатун, соединенный посредством поршневого пальца с поршнем.
• Выпуск – это конечный такт из всего рабочего цикла. По достижению поршнем крайней нижней точки он готов устремиться вверх. Под давлением эксцентрика распредвала клапан выпуска откроется, а поднимающийся поршень выдавливает отработанные газы, освобождая цилиндр. Отвод газов происходит очень быстро и только в момент достижения поршнем верхней крайней точки.

А затем весь процесс будет повторяться в такой же последовательности циклично, до того момента пока вы не выключите зажигание (нажмете кнопку EngineStart/Stop).

В заключении можно сказать, что в тактах двигателя нет ничего сложного. Достаточно попробовать визуализировать прочитанное и все вопросы, непонимания уйдут на второй план. Помните, что только в такте рабочего хода совершается полезная работа. Остальные являются сопутствующими или подготовительными. Так как запускаются за счет инерции маховика.

Рабочие циклы четырехтактного двигателя (видео):