Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания. Четырехтактный двигатель с впрыскиванием бензина.

Рабочий процесс четырехтактного карбюраторного двигателя

Такт впуска.

При такте впуска поршень движется от в. м. т. к н: м. т., объем над поршнем при этом увеличивается, в полости цилиндра создается разрежение, отчего атмосферный воздух устремляется в цилиндры двигателя через открытый впускной клапан; воздух предварительно проходит через карбюратор, образуя в нем горючую смесь (смесь топлива с воздухом).

Если в прямоугольной системе координат по оси ординат откладывать давление р в цилиндре, по оси абсцисс -- объемы V цилиндра, соответствующие перемещению поршня, то процесс впуска будет изображаться кривой rа, направленной вниз от линии атмосферного давления.

Давление газов в цилиндре при впуске составляет 0,075--0,09 Мн/м2 (0,75--0,90 кГ/см2) и зависит от числа оборотов коленчатого вала, сопротивлений в клапанах и в карбюраторе, температуры стенок цилиндра и других факторов. Температура горючей смеси при такте впуска возрастает на 50--80° С за счет соприкосновения ее с нагретыми деталями двигателя (клапаны, поршень, стенки цилиндра и др.) и смешивания с остаточными газами, имеющими высокую температуру.

Заполнение цилиндра двигателя горючей смесью характеризуется коэффициентом наполнения, который находится в пределах 0,75--0,85 и представляет отношение объема горючей смеси, поступившей в цилиндр за один ход поршня, к рабочему объему цилиндра (при давлении и температуре окружающей среды). У дизелей коэффициент наполнения несколько выше, так как у них отсутствует карбюратор и дроссельная заслонка. Чем выше коэффициент наполнения у двигателя, тем большую он может развить мощность.

Такт сжатия.

При такте сжатия впускной и выпускной клапаны закрыты. Поршень движется от н. м.т. к в. м.т. и сжимает горючую смесь, находящуюся в цилиндре двигателя. Процесс сжатия изображается кривой ас. По мере уменьшения объема смеси давление и температура в цилиндре повышаются. Горючая смесь, состоящая из частиц топлива и воздуха, в конце такта сжатия сильно уплотняется, отчего происходит подготовка топлива к сгоранию; горючая смесь здесь называется рабочей смесью.

Давление конца сжатий находится в пределах 0,5--0,9 Мн/м2 (5--9 кГ/см2), а температура рабочей смеси достигает 523--573° К (250--300° С).

Чем выше степень сжатия двигателя, тем больше давление и температура рабочей смеси в конце такта сжатия; сгорание ее происходит с большой скоростью; мощность и экономичность двигателя при этом повышаются.

Рабочий ход.

При рабочем ходе впускной и выпускной клапаны закрыты. Поршень движется от в. м.т. к н. м.т. Процесс сгорания и расширения (рабочий ход) изображается кривой сzb. Рабочая смесь воспламеняется электрической искрой с опережением, т. е. еще при такте сжатия, когда поршень не доходит до в. м. т. на 0,425-- 0,524 рад (25--30°) по углу оборота коленчатого вала. Смесь почти полностью сгорает, когда поршень проходит в. м. т. на 0,0524--0,0873 рад (3--5°), Наличие опережения обеспечивает наибольшее давление в цилиндре, когда поршень проходит в. м.т. При горении смеси внутри цилиндра выделяется тепло, вследствие чего температура и давление горящих газов сильно возрастают. Это давление, воздействуя на днище поршня, заставляет его перемещаться к н. м. т. и с помощью шатуна вращать коленчатый вал, совершая при этом механическую работу.

При горении давление газов достигает 3--3,5 Мн/м2 (30--35 кГ/см2), а температура до 2773° К (2500°С), в конце рабочего хода (точка b) давление снижается до 0,5--0,6 Мн/м2 (5,0--6,0 кГ/см2).

Такт выпуска.

При такте выпуска выпускной клапан открыт, поршень движется от н. м.т. к в. м. т. и выталкивает наружу отработавшие газы из полости цилиндра. Процесс выпуска на диаграмме изображается кривой br, расположенной над линией атмосферного давления. Давление отработавших газов на линии выпуска несколько выше атмосферного и равно 0,1--0,12 Мн/м2 (1,05--1,15 кГ/см2), а тем-пература 1173--1373° К (900--1100° С).

В связи с наличием в двигателе камеры сгорания полностью очистить цилиндр от продуктов сгорания не представляется возможным. Поэтому в цилиндре после такта выпуска всегда находится некоторое количество остаточных газов. При впуске в цилиндр новой порции свежей смеси она загрязняется, смешиваясь с остаточными газами.

Диаграмма изменения давлений (кривая raczbr) в цилиндре двигателя за цикл называется индикаторной диаграммой. Индикаторная диаграмма может быть построена или расчетом, или снятием с работающего двигателя при помощи специального прибора -- индикатора. На индикаторной диаграмме полезной работе соответствует площадь сzbc, а отрицательной работе, или насосным потерям,-- площадь, очерченная линией впуска rа, лежащей ниже атмосферной линии, и линией rb, расположенной выше атмосферной линии.

Наличие в смеси остаточных газов, содержащих углекислый газ, уменьшает скорость сгорания и распространения пламени, которая в цилиндре двигателя имеет значение порядка 25--40 м/сек.

На скорость распространения пламени также оказывают влияние: а) расположение свечи (если свеча находится в холодной зоне, а пламя распространяется в сторону горячих поверхностей, то скорость сгорания имеет большую величину); б) форма камеры сгорания и вихревое движение смеси в ней (при наличии вихревого движения скорость распространения пламени в топливовоздушной смеси значительно возрастает); в) состав смеси; г) степень сжатия и др.

Воспламенение рабочей смеси в цилиндре представляет собой явление окислительной реакции, при которой выделяющееся тепло вызывает появление пламени. Моменту воспламенения предшествует период предварительных окислительных реакций меньшей интенсивности.

В двигателях с внешним смесеобразованием окислительные реакции начинают появляться в процессе сжатия горючей смеси.

Процесс сгорания и расширения в двигателях внутреннего сгорания является одним из важных периодов рабочего цикла, так как в течение этого периода химическая энергия топлива превращается в тепловую и затем частично в механическую.