Теме: Рабочие циклы двигателей

План:

1. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

2.Рабочий цикл четырехтактного дизеля

3 Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя

4. Наддув в дизелях

Литература: 1; 2; 3.

1. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

Рабочим циклом двигателя внутреннего сгорания называют совокупность процессов, которые в определенной последовательности периодически повторяются в цилиндре, в результате чего двигатель непрерывно работает. К этим процессам относятся следующие: впуск — наполнение цилиндра свежим зарядом горючей смеси или воздуха; сжатие газов; расширение газов или рабочий ход; выпуск отработавших газов.

Если рабочий цикл происходит за два оборота коленчатого вала или за четыре хода поршня, то это двигатель четырехтактный. Если рабочий цикл происходит за один оборот коленчатого вала или за два хода поршня, то это двигатель двухтактный.

При рассмотрении цикла условно принимаем, что каждый такт начинается и заканчивается в одной из мертвых точек.

Первый такт — впуск (рис.1, а). При вращении коленчатого вала 1 поршень 3 перемещается из ВМТ в НМТ, и в верхней части цилиндра создается разрежение. Распределительный вал через детали механизма газораспределения открывает впускной клапан 7, который через впускной трубопровод 5 соединяет цилиндр с карбюратором 6. Горючая смесь, поступающая под действием разрежения из карбюратора по впускному трубопроводу, заполняет цилиндр, где образуется рабочая смесь. Рабочая смесь состоит из горючей смеси и отработавших газов, которые всегда в небольшом количестве остаются в цилиндре от предыдущего цикла. В конце такта впуска, при работе двигателя на режиме полной нагрузки, давление в цилиндре составляет 8 — 9 кПа, а температура рабочей смеси равна 80—120°С (для прогретого двигателя).

Второй такт — сжатие (рис. 1, 6). Такт впуска заканчивается, когда поршень приходит в НМТ. При дальнейшем повороте коленчатого вала поршень перемещается из НМТ в ВМТ и сжимает рабочую смесь. В течение такта сжатия оба клапана остаются закрытыми. Объем смеси при сжатии уменьшается, а давление внутри цилиндра увеличивается и достигает 100 — 120 кПа. Повышение давления сопровождается увеличением температуры смеси до 300 — 400 °С

Третий такт — расширение газов или рабочий ход (рис. 1, в). Оба клапана закрыты. При подходе поршня в конце такта сжатия к ВМТ между электродами свечи зажигания 8 проскакивает электрическая искра. Сжатая рабочая смесь воспламеняется и быстро сгорает, образуя большое количество горячих газов. Газы давят на поршень, который под их давлением перемещается из ВМТ в НМТ и через шатун 11 вращает коленчатый вал. Это основной такт, так как расширяющиеся газы совершают полезную работу. С момента воспламенения смеси давление газов быстро возрастает, а затем по мере движения поршня вниз и увеличения объема снижается. В конце сгорания и начале расширения давление достигает 300 — 400 кПа при температуре 2000 — 2200 °С, а в конце расширения снижается до 35 — 45 кПа при температуре 1200-1500 °С.

Четвертый такт — выпуск (рис. 1, г). Поршень движется от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан 9 вытесняет отработавшие газы в выпускной трубопровод !0, глушитель и далее в атмосферу. При такте выпуска не удается достигнуть полной очистки цилиндра от отработавших газов и часть их остается в цилиндре. В конце выпуска давление равно 10,5 — 12 кПа при температуре 700 — 900 "С. После окончания такта выпуска рабочий цикл двигателя повторяется в рассмотренной выше последовательности.

На заднем конце коленчатого вала устанавливают тяжелый диск — маховик, который во время рабочего хода накапливает энергию, а затем продолжает вращаться по инерции. При этом вместе с маховиком вращается и коленчатый вал, который перемещает поршень в течение остальных вспомогательных тактов.

Рис. 1. Схема работы четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя: а)- впуск горючей смеси; б).-сжатие рабочей смеси; в)- расширение газов или рабочий ход; г)- выпуск отработавших газов; 1- коленчатый вал; 2-распределительный вал; 3-поршень; 4- цилиндр; 5- впускной трубопровод; 6- карбюратор; 7-впускной клапан; 8- свеча зажигания; 9- выпускной клапан; 10- выпускной трубопровод; 11- шатун: 12- поршневой палец; 13- поршневые кольца.

Вывод:

2. Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Рабочий цикл четырехтактного дизеля, как и рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя, состоит из четырех повторяющихся тактов: впуска, сжатия, расширения газов или рабочего хода и выпуска. Однако рабочий цикл дизеля существенно отличается от рабочего цикла карбюраторного двигателя. В цилиндр дизеля поступает чистый воздух, а не горючая смесь. Воздух сжимается с высокой степенью сжатия, вследствие чего значительно повышается его давление и температура. В конце сжатия в нагретый воздух из форсунки впрыскивается мелкораспыленное топливо, воспламеняющееся не от электрической искры, а от соприкосновения с горячим воздухом. Поэтому дизель иногда называют двигателем с воспламенением от сжатия. Горючая смесь в этом двигателе образуется при впрыскивании топлива в цилиндр.

Первый такт — впуск (рис, 2, а). При движении поршня от ВМТ к НМТ в цилиндре создается разрежение. Впускной клапан 5 открывается, и цилиндр наполняется воздухом, который предварительно проходит через воздухоочиститель. В цилиндре воздух смешивается с небольшим количеством отработавших газов. Давление воздуха в цилиндре (у прогретого двигателя) при такте впуска составляет 8 — 9 кПа, а температура достигает 50 —80 "С.

Рис. 2. Схема работы четырехтактного одноцилиндрового дизеля:

а —впуск воздуха; б — сжатие воздуха; в— расширение газов или рабочий ход; г -выпуск отработавши х газов; 1— цилиндр; 2 —топливный насос; 3 - поршень; 4 -форсунка; 5 - впускной клапан; 6-выпускной клапан.

Второй такт — сжатие (рис. 2, б). Поршень движется от НМТ к ВМТ, впуск­ной 5 и выпускной 6 клапаны закрыты. Объем воздуха уменьшается, а его давление и температура увеличиваются. В конце сжатия давление воздуха внутри цилиндра повышается до 400 - 500 кПа, а температура до 600 -700 °С. Для падежной работы двигателя температура сжатого воздуха в цилиндре должна быть значительно выше температуры самовоспламенения топлива.

Третий такт — расширение газов или рабочий ход (рис. 2, в). Оба клапана закрыты. При положении поршня около ВМТ в сильно нагретый и сжатый воздух из форсунки 4 впрыскивается мелкораспыленное топливо под большим давлением (1300—1850 кПа), создаваемым топливным насосом 2. Топливо перемешивается с воздухом, нагревается, испаряется и воспламеняется. Часть топлива сгорает при движении поршня к ВМТ, т. е. в конце такта сжатия, а другая часть — при движении поршня вниз в начале такта расширения. Образующиеся при сгорании топлива газы увеличивают внутри цилиндра двигателя давление до 600 — 800 кПа и температуру до 1800-2000 °С. Горячие газы расширяются и давят на поршень 3, который перемещается от ВМТ к НМТ, совершая рабочий ход.

Четвертый такт — выпуск (рис. 2, г). Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан 6 вытесняет отработавшие газы из цилиндра. Давление и температура в конце выпуска равны соответственно 11 — 12 кПа и 600-700 °С. После такта выпуска рабочий цикл дизеля повторяется в рассмотренной выше последовательности.

Вывод:

3 Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя

В этом двигателе нет специального механизма газораспределения. Вместо него цилиндр имеет окна (рис. 3): впускное окно 1, соединяющее цилиндр с карбюратором; выпускное окно 2и перепускное окно 6, соединяющее цилиндр с герметичным картером при помощи канала 7. Перемещающийся внутри цилиндра поршень в определенной последовательности открывает и закрывает окна, выполняя функции механизма газораспределения. В цилиндр двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой горючая смесь из карбюратора поступает через картер. Для подготовки двигателя к работе необходимо сделать два подготовительных хода; первый — впуск горючей смеси в картер; второй — перепуск горючей смеси из картера в цилиндр.

Первый такт. Поршень 5 (рис. 3, а) перемещается снизу вверх и боковой поверхностью сначала закрывает перепускное окно 6, а затем и выпускное 2. В цилиндре происходит сжатие рабочей смеси, а в картер вследствие разрежения из карбюратора поступает горючая смесь. При подходе поршня к ВМТ между электродами свечи зажигания появляется электрическая искра, в результате чего рабочая смесь в цилиндре воспламеняется и сгорает.

Второй такт. Образовавшиеся горячие газы расширяются и давят на поршень,вследствие чего он опускается вниз, совершая рабочий ход (рис. 3, 6).В конце рабочего хода поршень сначала открывает выпускное окно 2, и отработавшие газы из цилиндра через глушитель выходят в атмосферу. Опускаясь ниже, поршень открывает перепускное окно 6, и горючая смесь по каналу 7 поступает в цилиндр, заполняет его и вытесняет отработавшие газы. Незначительная часть горючей смеси вместе с отработавшими газами выходит в атмосферу и не принимает участия в рабочем цикле.

Картер у такого двигателя сухой, т. е. масло в него не наливают. Масло, необходимое для смазывания двигателя, добавляют в топливо в определенной пропорции (1:15—для необкатанного или 1:20 — для обкатанного двигателя), тщательно перемешивают, а затем масляно-топливную смесь заливают в топливный бак. Горючая смесь, поступающая из карбюратора в картер и затем в цилиндр, состоит из мелкораспылен­ного топлива, масла и чистого воздуха.

Вывод:

4. Наддув в дизелях

Мощность двигателя зависит от следующих параметров: частоты вращения коленчатого вала; степени сжатия; рабочего объема двигателя и числа цилиндров. Известно, что дизели работают с большим коэффициентом избытка воздуха (α = 1,3-1,7), и их литровая мощность, т. е. мощность, приходящаяся на единицу рабочего объема, меньше, чем литровая мощность карбюраторных двигателей.

Для повышения литровой мощности в дизелях (семейства ЯМЗ и др.) используют наддув, т. е. воздух в цилиндры подают с помощью компрессора под давлением 15 — 16 кПа, превышающим атмосферное. Так как увеличивается масса воздуха, поступающего в каждый цилиндр, можно увеличить и количество впрыскиваемого топлива. В этом случае при тех же размерах двигателя, частоте вращения коленчатого вала и числе цилиндров мощность его значительно возрастает.

В двигателях с турбонаддувом для привода компрессора используется энергия отработавших газов, т. е. полезная мощность для этих целей не расходуется, и экономичность двигателя повышается. Кроме того, наддув дизелей способствует уменьшению содержания токсических веществ в отработавших газах.

Для осуществления наддува применяют турбокомпрессор (рис. 4), который состоит из двух колес с лопатками — центростремительной радиальной турбины и одноступенчатого компрессора (центробежного нагнетателя), установленных на одном валу. Турбокомпрессор работает следующим образом. При открытом выпускном клапане 10поршень 2, двигаясь вверх, выталкивает отработавшие газы из цилиндра 1в газоотводящий патрубок 9. Газы с большой скоростью поступают через сопловой аппарат на лопатки

Вывод:

Выводы:

Давление - в системе СИ измеряется в Паскалях (Па)

Бар = 10⁵Па;

бария = 0.1 Па;

килограмм –сила на квадратный метр (кгс/м²) =9,8 Па

килограмм –сила на квадратный миллиметр (кгс/мм²) =10 ^-6 кгс/м²

мм вод. ст. = кгс/м²;

мм ртутного столба = 133,322 Па;

атмосфера техническая = 1кгс/см²=9,8 ·10⁴ Па;

атмосфера физическая = 760 мм рт. ст. =1,01325 ··10⁵ Па