С-Петербург, улица Тосина 3
+7 (812) 917-84-85
+7 (921) 316-27-00
Главная » Разное » Рабочий цикл четырехтактного двигателя

Рабочий цикл четырехтактного двигателя


Рабочие циклы четырехтактных двигателей

Рассмотрим подробно каждый такт цикла.

Такт впуска

Поршень 4 движется от в.м.т. к н.м.т. Над ним в полости цилиндра 1 создается разрежение. Впускной клапан 6 при этом открыт, цилиндр через впускную трубу 7 и карбюратор 8 сообщается с атмосферой. Под влиянием разности давлений воздух устремляется в цилиндр. Проходя через карбюратор, воздух распыливает топливо и, смешиваясь с ним, образует горючую смесь, которая поступает в цилиндр. Заполнение цилиндра 1 горючей смесью продолжается до прихода поршня в н.м.т. К этому времени впускной клапан закрывается.

Такт сжатия

При дальнейшем повороте коленчатого вала 10 поршень движется от н.м.т. к в.м.т. В это время впускной 6 и выпускной 3 клапаны закрыты, поэтому поршень сжимает находящуюся в цилиндре рабочую смесь. В такте сжатия составные части рабочей смеси хорошо перемешиваются и нагреваются. В конце такта сжатия между электродами свечи 5 возникает электрическая искра, от которой рабочая смесь воспламеняется. В процессе сгорания топлива выделяется большое количество теплоты, давление и температура газов повышаются.

Такт расширения

Оба клапана закрыты. Под давлением расширяющихся газов поршень движется от в.м.т. к н.м.т. (рисунок в) и при помощи шатуна 9 вращает коленчатый вал 10, совершая полезную работу.

Такт выпуска

Когда поршень подходит к н.м.т., открывается выпускной клапан 3 и отработавшие газы под действием избыточного давления начинают выходить из цилиндра в атмосферу через выпускную трубу 2. Далее поршень движется от н.м.т. к в.м.т. (рисунок г) и выталкивает из цилиндра отработавшие газы.

Далее рабочий цикл повторяется.

Рисунок. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного карбюраторного двигателя: а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения; г — такт выпуска; 1 — цилиндр, 2 — выпускная труба; 3 — выпускной клапан; 4 — поршень; 5 — искровая зажигательная свеча; 6 — впускной клапан; 7 — впускная труба; 8 — карбюратор; 9 — шатун; 10 — коленчатый вал.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

В отличие от карбюраторного двигателя в цилиндр дизеля воздух и топливо вводятся раздельно.

Такт впуска

Поршень движется от в.м.т. к н.м.т. (рисунок а), впускной клапан открыт, в цилиндр поступает воздух.

Такт сжатия

Оба клапана закрыты. Поршень движется от н.м.т. к в.м.т. (рисунок б) и сжимает воздух. Вследствие большой степени сжатия (порядка 14…18) температура воздуха становится выше температуры самовоспламенения топлива.

Рисунок. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного дизеля: а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения; г — такт выпуска

В конце такта сжатия при положении поршня, близком к в.м.т., в цилиндр через форсунку начинает впрыскиваться жидкое топливо. Устройство форсунки обеспечивает тонкое распыливание топлива в сжатом воздухе.

Топливо, впрыснутое в цилиндр, смешивается с нагретым воздухом и оставшимися газами, образуется рабочая смесь. Большая часть топлива воспламеняется и сгорает, давление и температура газов повышаются.

Такт расширения

Оба клапана закрыты. Поршень движется от в.м.т. к н.м.т. (рисунок в). В начале такта расширения сгорает остальная часть топлива.

Такт выпуска

Выпускной клапан открывается. Поршень движется от н.м.т. к в.м.т. (рисунок г) и через открытый клапан выталкивает отработавшие газы в атмосферу.

Далее рабочий цикл повторяется.

У описанных двигателей в течение рабочего цикла только в такте расширения поршень перемещается под давлением газов и посредством шатуна приводит коленчатый вал во вращательное движение. При выполнении остальных тактов — выпуске, впуске и сжатии — нужно перемещать поршень, вращая коленчатый вал. Эти такты являются подготовительными и осуществляются за счет кинетической энергии, накопленной маховиком в такте расширения. Маховик, обладающий значительной массой, крепят на конце коленчатого вала.

Дизель по сравнению с карбюраторным двигателем имеет следующие основные преимущества:

  • на единицу произведенной работы расходуется в среднем на 20…25 % (по массе) меньше топлива
  • работа на более дешевом топливе, которое менее пожароопасно

Недостатки дизеля:

  • более высокое давление газов в цилиндре требует повышенной прочности деталей, а это приводит к увеличению размеров и массы дизеля
  • пуск его затруднен, особенно в зимнее время

Хорошие экономические показатели дизелей обусловили их широкое применение в качестве двигателей для тракторов, грузовых и легковых автомобилей.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя - особенности, схема и описание

Автолюбители должны хотя бы в общих чертах знать, как устроен и работает двигатель. В большинстве автомобилей установлен четырехтактный четырехцилиндровый мотор. Давайте рассмотрим рабочий цикл четырехтактного двигателя. Далеко не все знают, какие процессы происходят, когда автомобиль находится в движении.

Общий принцип действия

Двигатель работает следующим образом. В камеру сгорания попадает топливная смесь, далее она сжимается под воздействием поршня. После этого смесь воспламеняется. Это приводит к расширению продуктов сгорания, они давят на поршень и выходят из цилиндра.

В двухтактных двигателях один оборот коленчатого вала совершается в два такта. Четырехтактный поршневой двигатель совершает рабочий цикл за два оборота коленчатого вала. Двигатели оснащаются ГРМ. Что это за механизм? Это элемент, который позволяет впускать топливную смесь в камеры и выпускать оттуда продукты сгорания. Обмен газов осуществляется в момент отдельного оборота коленчатого вала. Газообмен происходит за счет движения поршня.

Первое устройство, напоминающее четырехтактный мотор, изобрели Феличче Матоци и Евгений Барсанти. Но данное изобретение невероятным образом утеряли. Лишь в 1861 году похожий агрегат запатентовали.

А первый пригодный к использованию двигатель разработал инженер из Германии Николаус Отто. Мотор получил имя изобретателя, а рабочий цикл четырехтактного двигателя также носит имя этого инженера.

Основные отличия четырехтактных моторов

В двухтактном двигателе поршневые и цилиндровые пальцы, коленчатый вал, подшипники и компрессионные кольца смазываются за счет масла, которое доливают в топливо. В четырехтактном моторе все узлы установлены в масляной ванне. Это существенное отличие. Поэтому в четырехтактном агрегате нет необходимости смешивать масла и бензин.

Преимущества системы заключаются в том, что на зеркале в цилиндрах и на стенках глушителя количество нагара значительно меньше. Еще одно отличие – в двухтактных двигателях в выхлопную трубу попадает горючая смесь.

Работа двигателя

Вне зависимости от типа мотора, принцип его работы аналогичен. Сегодня существуют карбюраторные моторы, дизельные, инжекторные. Во всех моделях происходит один и тот же рабочий цикл четырехтактного двигателя. Давайте подробно рассмотрим, какие же процессы работают внутри мотора и заставляют его приходить в движение.

Четырехтактный цикл – это последовательность из четырех рабочих тактов. За начало обычно принимается такт, когда в камеры сгорания попадает горючая смесь. Хоть за время его течения в двигателе проходят и другие действия, обозначаемый такт – это один рабочий процесс. К примеру, такт сжатия – это не только сжатие. В этот период смесь перемешивается в цилиндрах, начинается формирование газа, она воспламеняется.

То же самое можно сказать и о других этапах работы двигателя. Самое важное здесь то, что разные процессы для лучшего понимания и упрощения рабочего цикла четырехтактного двигателя раскладывают лишь на четыре такта.

Впуск

Итак, в камере сгорания силового агрегата циклы преобразований энергии начинаются с реакции горения топливной смеси. При этом поршень находится в самой верхней своей точке (положение ВМТ), а затем движется вниз. В результате в камере сгорания двигателя возникает разрежение. Под его воздействием горючая жидкость всасывает топливо. Впускной клапан при этом находится в открытом положении, а выпускной закрыт.

Когда поршень начинает движение вниз, то над ним увеличивается объем. Это и вызывает разрежение. Оно составляет примерно 0,071-0,093 МПа. Таким образом, в камеру сгорания попадает бензин. В инжекторных двигателях топливо впрыскивается форсункой. После поступления смеси в цилиндр ее температура может составлять 75 до 125 градусов.

То, как сильно цилиндр будет заполнен топливной смесью, определяют по коэффициентам заполнения. Для двигателей с карбюраторной системой питания данный показатель составит от 0,64 до 0,74. Чем выше значение коэффициента, тем более мощный мотор.

Сжатие

После заполнения камеры сгорания горючей смесью бензиновых паров и воздуха, если коленвал производит вращательные движения, поршень начнет возвращаться в свое нижнее положение. Впускной клапан на данном этапе начнет закрываться. А выпускной будет все еще закрыт.

Рабочий ход

Это третий такт рабочего цикла четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Он самый важный в работе силового агрегата. Именно на данном этапе работы двигателя энергия от сгорания топлива преобразуется в механическую, заставляющую вращаться коленчатый вал.

Когда поршень находится в позиции, близкой к ВМТ, еще в процессе сжатия топливная смесь принудительным образом воспламеняется от свечи зажигания двигателя. Топливный заряд сгорает очень быстро. Еще до начала этого такта сгоревшие газы имеют максимальное значение давления. Эти газы являются рабочим телом, сжатым в небольшом объеме камеры сгорания двигателя. Когда поршень начнет двигаться вниз, газы начинают интенсивно расширяться, высвобождая энергию.

Среди всех тактов рабочего цикла четырехцилиндрового двигателя именно этот самый полезный. Он функционирует на нагрузку агрегата. Только на этом этапе коленвал получает разгонное ускорение. Во всех прочих мотор не вырабатывает энергию, а потребляет ее от того же коленчатого вала.

Выпуск

После совершения газами полезной работы они должны выйти из цилиндра, чтобы освободилось место для новой порции горюче-воздушной смеси. Это последний такт в рабочем цикле четырехтактного двигателя.

Газы на этом этапе находятся под давлением, существенно превышающем атмосферное. Температура к концу такта снижается примерно до 700 градусов. Коленвал посредством шатуна двигает поршень к ВМТ. Далее открывается выпускной клапан, газы выталкиваются в атмосферу через выхлопную систему. Что касается давления, то оно высокое только в самом начале. В конце такта оно снижается до 0,120 МПа. Естественно, полностью избавиться от продуктов сгорания в цилиндре невозможно. Поэтому они при следующем такте впуска смешиваются с топливной смесью.

Описанные этапы составляют рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя. Нужно понимать, что каких-либо строгих соответствий между тактами и процессами в поршневых двигателях нет. Это легко объяснить тем, что при эксплуатации силового агрегата фазы газораспределительного механизма и то, в каком состоянии находятся клапаны, будет накладываться на движения поршней в различных моторах совершенно по-разному.

В любом цилиндре рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя протекает именно таким образом. Каждая камера сгорания в двигателе нужна для вращения единственного коленчатого вала, воспринимающего усилие от поршней.

Это чередование называют порядком работы. Такой порядок задается на этапе конструирования силового агрегата через особенности распределительного и коленчатого валов. Он не изменяется в процессе эксплуатации механизма.

Реализация порядка работы осуществляется чередованием искр, которые поступают на свечи от системы зажигания. Так, четырехцилиндровый мотор может работать в следующих порядках – 1, 3, 4, 2 и 1, 2, 4, 3.

Узнать порядок, в котором работают цилиндры двигателя, можно из инструкции к автомобилю. Иногда порядок работы указан на корпусе блока.

Вот как протекает рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя или любого другого. Система питания никак не влияет на принцип действия агрегата. Разница лишь в том, что карбюратор – это механическая система питания, имеющая определенные недостатки, а в случае с инжекторами этих недостатков в системе нет.

Дизельные моторы

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя – это такая же последовательность процессов, как и цикл карбюраторного мотора. Разница состоит в том, как протекает цикл, а также в различиях процессов образования смеси и воспламенения.

Такт впуска на дизеле

При движении поршня по направлению вниз газораспределительный механизм открывает впускной клапан. В камеру сгорания попадает определенное количество воздуха. Температура в цилиндре при этом составляет примерно 80 градусов. В дизельных двигателях система питания значительно отличается от бензиновых карбюраторных моторов. Например, гидравлическое сопротивление в них ниже, а давление немного повышается.

Такт сжатия в дизельном двигателе

На данном этапе работы поршень в камере сгорания идет по направлению вверх к ВМТ. Оба клапана в двигателе автомобиля находятся в закрытом состоянии. В результате работы поршня воздух в цилиндре сжимается. Степень сжатия в дизельном двигателе более высокая, чем в бензиновых моторах, а давление внутри цилиндра может достигать 5 МПа. Сжатый воздух существенно нагревается. Температуры могут достигать 700 градусов. Это нужно, чтобы воспламенилось топливо. Оно на дизельных моторах подается через форсунки, установленные на каждом цилиндре. В зимнее время в работе участвуют свечи накаливания. Они предварительно подогревают холодную смесь. Таким образом мотор легче запускается в зимнее время. Но такая система есть не на всех авто.

Такт расширения газов в дизельном двигателе

Когда поршень дизельного двигателя еще не дошел до верхней точки примерно на 30 градусов по коленвалу, ТНВД через форсунку подает в цилиндр топливо под высоким давлением. Значение в 18 МПа необходимо, чтобы горючее могло тонко распыляться и распределиться по всему объему в цилиндре.

Далее топливо под действием высоких температур воспламеняется и быстро сгорает. Поршень движется к нижней точке. Температура внутри цилиндра в этот момент составляет около 2000 градусов. К концу такта температура снижается.

Выпуск в дизельном двигателе

На этом этапе выпускной клапан открыт, поршень движется к верхней точке. Из цилиндра принудительно удаляются продукты сгорания. Далее они идут на выпускной коллектор. После этого в работу включается каталитический нейтрализатор. Газы, проходя через него под высокой температурой, очищаются. В атмосферу уже выходит чистый, безвредный газ. На дизельных автомобилях дополнительно установлен сажевый фильтр. Он также способствует очистке газов.

Заключение

Мы подробно разобрали, как осуществляется рабочий цикл четырехтактного двигателя (проходит за два оборота коленчатого вала силовой установки). А сам цикл включает в себя много разных процессов.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя

Рабочий цикл четырехтактного двигателя делится на четыре такта, которые происходят за два полных оборота коленчатого вала. Различают следующие четыре такта:

Первый такт — впуск

Поршень движется при открытом впускном и закрытом выпускном клапанах из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю мертвую точку (НМТ). Возникающее при этом в цилиндре разрежение втягивает в цилиндр порцию топливовоздушной смеси.

Величина давления при этом составляет несколько десятых бара.

Второй такт — сжатие

При закрытых клапанах поршень движется из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку и сжимает заряд топливовоздушной смеси. Давление и температура в цилиндре растут. Их максимальные значения составляют:

  • с для дизельного двигателя — давление 30-50 бар, температура 550-700 °С;
  • с для бензинового двигателя — давление 10-16 бар, температура 350-450 °С.

Третий такт — рабочий ход

Клапаны закрыты. Сгорание топливовоздушной смеси начинается в верхней мертвой точке поршня. В результате в цилиндре повышаются температура и давление, максимальные значения которых составляют:

  • для дизельного двигателя — давление 60-100 бар, температура около 2000 °С;
  • для бензинового двигателя — давление 40-70 бар, температура около 2500 °С.

В двигателе с наддувом давление в цилиндре гораздо выше. Газы, являющиеся продуктом сгорания топливовоздушной смеси, начинают расширяться, воздействуя на поршень и перемещая его к нижней мертвой точке. Именно в течение этого такта газы совершают полезную работу, почему такт и называется «рабочий ход». В течение следующих трех тактов, наоборот, поршень воздействует на газы в цилиндре.

Четвертый такт — выпуск

При открытом выпускном и закрытом впускном клапанах поршень выталкивает из цилиндра отработавшие газы, лишенные своей энергии. При этом в цилиндре присутствует незначительный вакуум.

Рис. Рабочий цикл четырехтактного двигателя

На рисунке представлены четыре такта и соответствующая диаграмма работы двигателя в координатах р, V.

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя.

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя проходит в той же последовательности, что и цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Отличие заключается в характере протекания рабочего цикла, в способе смесеобразования и воспламенения топлива.

Первый такт – впуск (рис. 1, а). Поршень 5 движется от в.м.т. к н.м.т., впускной клапан 1 открыт. В цилиндр 4 под действием перепада давления в атмосфере и цилиндре поступает воздух, перемешиваясь с остаточными газами. Давление в конце такта 0,08...0,09 МПа, температура воздуха 320...340 К.

Второй такт – сжатие (рис. 1, б). Оба клапана закрыты. Поршень 5 движется от н.м.т. к в.м.т., сжимая воздух. Вследствие большой степени сжатия (14... 18) давление в конце этого такта достигает 3,5...4 МПа, а температура — 750...950 К (превышает температуру самовоспламенения топлива). При положении поршня, близком к в.м.т., в цилиндр через форсунку 2 впрыскивается жидкое топливо, подаваемое насосом 6 высокого давления. Форсунка обеспечивает тонкое распыление топлива в сжатом воздухе. Топливо, впрыснутое в цилиндр, смешивается с нагретым воздухом и остаточными газами, образуя рабочую смесь. Большая часть топлива воспламеняется и сгорает. Температура газов достигает 1900...2400 К, а давление — 5,5...9 МПа.

Третий такт – расширение (рабочий ход) (рис. 1, в). Оба клапана закрыты. Поршень 5 под давлением расширяющихся газов движется от в.м.т. к н.м.т. и через шатун вращает коленчатый вал, совершая полезную работу. В начале такта сгорает остальная часть топлива. К концу рабочего хода давление газов уменьшается до 0,2...0,3 МПа, температура — до 900... 1200 К.

Четвертый такт – выпуск (рис. 1, г). Выпускной клапан 3 открывается. Поршень 5 движется от н.м.т. к в.м.т. и через открытый клапан выталкивает отработавшие газы из цилиндра в атмосферу. К концу такта давление газов 0,11...0,12 МПа, температура 650...900 К.

Рис. 1. Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного дизеля: а — такт впуска; б — такт сжатия; в — такт расширения; г —такт выпуска; 1—впускной клапан; 2 — форсунка; 3— выпускной клапан; 4— цилиндр; 5—поршень; 6—топливный насос высокого давления

Далее рабочий цикл повторяется.

В течение рабочего цикла описанных двигателей только при рабочем ходе поршень перемещается под давлением газов и посредством шатуна приводит во вращательное движение коленчатый вал. При выполнении остальных тактов (выпуска, впуска и сжатия) поршень нужно перемещать, вращая коленчатый вал. Это вспомогательные такты, которые осуществляются за счет кинетической энергии, накопленной маховиком во время рабочего хода. Маховик, обладающий значительной массой, крепят на конце коленчатого вала.

Назначение.

Система смазки (другое наименование - смазочная система) предназначена для снижения трения между сопряженными деталями двигателя. Кроме выполнения основной функции система смазки обеспечивает охлаждение деталей двигателя, удаление продуктов нагара и износа, защиту деталей двигателя от коррозии.

Устройство.

Система смазки двигателя включает поддон картера двигателя с маслозаборником, масляный насос, масляный фильтр, масляный радиатор, которые соединены между собой магистралями и каналами.

Поддон картера двигателя предназначен для хранения масла. Уровень масла в поддоне контролируется с помощью щупа, а также с помощью датчика уровня и температуры масла.

Масляный насос предназначен для закачивания масла в систему. Масляный насос может приводиться в действие от коленчатого вала двигателя, распределительного вала или дополнительного приводного вала. Наибольшее применение на двигателях нашли масляные насосы шестеренного типа.

Масляный фильтр служит для очистки масла от продуктов износа и нагара. Очистка масла происходит с помощью фильтрующего элемента, который заменяется вместе с заменой масла.

Для охлаждения моторного масла используется масляный радиатор. Охлаждение масла в радиаторе осуществляется потоком жидкости из системы охлаждения.

Давление масла в системе контролируется специальным датчиком, установленным в масляной магистрали. Электрический сигнал от датчика поступает к контрольной лампе на приборной панели. На автомобилях также может устанавливаться указатель давления масла.

Датчик давления масла может быть включен в систему управления двигателем, которая при опасном снижении давления масла отключает двигатель.

На современных двигателях устанавливается датчик уровня масла и соответствующая ему сигнальная лампа на панели приборов. Наряду с этим, может устанавливаться датчик температуры масла.

Для поддержания постоянного рабочего давления в системе устанавливается один или несколько редукционных (перепускных) клапанов. Клапаны устанавливаются непосредственно в элементах системы: масляном насосе, масляном фильтре.

Принцип действия системы смазки.

В современных двигателях применяется комбинированная система смазки, в которой часть деталей смазывается под давлением, а другая часть – разбрызгиванием или самотеком (рис. 2).

Смазка двигателя осуществляется циклически. При работе двигателя масляный насос закачивает масло в систему. Под давлением масло подается в масляный фильтр, где очищается от механических примесей. Затем по каналам масло поступает к коренным и шатунным шейкам (подшипникам) коленчатого вала, опорам распределительного вала, верхней опоре шатуна для смазки поршневого пальца.

На рабочую поверхность цилиндра масло подается через отверстия в нижней опоре шатуна или с помощью специальных форсунок.

Остальные части двигателя смазываются разбрызгиванием. Масло, которое вытекает через зазоры в соединениях, разбрызгивается движущимися частями кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов. При этом образуется масляный туман, который оседает на другие детали двигателя и смазывает их.

Рис. 2. 1 – масляный поддон, 2 – датчик уровня и температуры масла, 3 – масляный насос, 4 – редукционный клапан, 5 – масляный радиатор, 6 – масляный фильтр, 7 – перепускной клапан, 8 – обратный клапан, 9 – датчик давления масла, 10 – коленчатый вал, 11 – форсунки, 12 – распределительный вал выпускных клапанов, 13 – распределительный вал впускных клапанов, 14 – вакуумный насос, 15 – турбонагнетатель, 16 – стекание масла, 17 – сетчатый фильтр, 18 – дроссель

Под действием сил тяжести масло стекает в поддон и цикл смазки повторяется.

На некоторых спортивных автомобилях применяется система смазки с сухим картером. В данной конструкции масло храниться в специальном масляном баке, куда закачивается из картера двигателя насосом. Картер двигателя всегда остается без масла – «сухой картер». Применение данной конструкции обеспечивает стабильную работу системы смазки во всех режимах, независимо от положения маслозаборника и уровня масла в картере.

Смотрите также

 

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

Новости