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 этот двигатель четырехтактный. Если рабочий цикл происходит за один оборот коленчатого вала или за два хода поршня, то это двигатель двухтактный.
2. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя.
При рассмотрении цикла условно принимаем, что каждый такт начинается и заканчивается в одной из мертвых точек.
Первый такт — впуск. 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 ос (для прогретого двигателя).
Второй такт — сжатие. 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 3000-4000с.
Третий такт — расширение газов или рабочий ход. 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 градусов, а в конце расширения снижается до 35 — 45 кПа при температуре 1200 — 1500 ос.
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. 9, 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 градусов.
Рис. 9 - Схема работы четырехтактного одноцилиндрового дизеля:
а — впуск воздуха; б — сжатие воздуха; в — расширение газов или рабочий ход; г — выпуск отработавших газов; д — цилиндр; 2 — топливный насос; 3 — поршень; 4 — форсунка; 5 — впускной клапан; 6 — выпускной клапан.
Второй такт — сжатие (рис. 9, 6). 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 6000-7000 градусов. Для надежной работы двигателя температура сжатого воздуха в цилиндре должна быть значительно выше температуры самовоспламенения топлива.
Третий такт — расширение газов или рабочий ход (рис. 9, 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 ос. Горячие газы расширяются и давят на поршень 3, который перемещается от ВМТ к НМТ, совершая рабочий ход.
Четвертый такт — выпуск (рис. 9, 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 1112 кПа и 600 — 700 градусов. После такта выпуска рабочий цикл дизеля повторяется в рассмотренной выше последовательности.
Наддув в дизелях
Известно, что дизели работают с большим коэффициентом избытка воздуха (Сх = 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.
Рис. 11 - Схема работы газотурбинного компрессора дизелей семейства ЯМЗ:
1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 — впускной клапан; 4 — впускной трубопровод; 5 — колесо центробежного компрессора; 6 — вал турбокомпрессора; 7 — корпус турбокомпрессора; 8 — колесо турбины; 9 — газоотводящий патрубок; 10 — выпускной клапан; 11 — поршневой палец; 12 — шатун.
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, надув дизелей способствует уменьшению содержания токсических веществ в отработавших газах.
Для осуществления надува применяют турбокомпрессор (рис. 11), 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 поршень 2, двигаясь вверх, выталкивает отработавшие газы из цилиндра 1 в газоотводящий патрубок 9. Газы с большой скоростью поступают через сопловой аппарат на лопатки рабочего колеса 8 турбины. Ударяясь в лопатки газовой турбины, они приводят его вращение вместе с валом 6, а затем по трубопроводу выходят в атмосферу.
Вместе с валом вращается и рабочее колесо 5 центробежного компрессора, которое засасывает воздух через воздухоочиститель и нагнетает его под избыточным давлением по впускному трубопроводу 4 в цилиндр 1 дизеля. Наполнение цилиндра воздухом увеличивается, и соответственно возрастает количество топлива, впрыскиваемого в цилиндр. При использовании газотурбинного надува в дизелях нужно применять воздухоочистители с лучшей очисткой воздуха и увеличенной пропускной способностью. Мощность двигателя при этом возрастает на 25 — 40%, однако несколько усложняется его конструкция.