Четырехтактные двигатели, принципы работы

• верхняя мертвая точка (ВМТ) — крайнее верхнее положение поршня (рисунок 1).
• нижняя мертвая точка (НМТ) — крайнее нижнее положение поршня.
• радиус кривошипа — расстояние от оси коренной шейки коленчатого вала до оси его шатунной шейки.
• ход поршня S — расстояние между крайними положениями поршня, равное удвоенному радиусу кривошипа коленчатого вала. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на угол 180° (пол-оборота).

Рисунок 1 – Основные положения кривошипно-шатунного  механизма

а — ВМТ; б — НМТ; V_c — объем камеры сгорания; V_h, — рабочий объем цилиндра; D — диаметр цилиндра; S - ход поршня

 

Ход поршня S и диаметр D цилиндра обычно определяют размеры двигателя.

• такт — часть рабочего цикла, происходящая за один ход поршня.
• объем камеры сгорания — объем пространства над поршнем при его положении в ВМТ.
• рабочий объем цилиндра — объем пространства, освобождаемого поршнем при перемещении его от ВМТ к НМТ.
• полный объем цилиндра — объем пространства над поршнем при нахождении его в НМТ. Очевидно, что полный объем цилиндра равен сумме рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания.
• степень сжатия — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.
• индикаторная мощность N_i — мощность, развиваемая газами в цилиндре.
• эффективная (действительная) мощность N_e — мощность, развиваемая на коленчатом валу двигателя. Эффективная мощность N_e меньше индикаторной N_i, так как часть последней затрачивается на трение и на приведение в движение вспомогательных механизмов. Эта мощность называется мощностью механических потерь N_M.
• механический КПД (коэффициент полезного действия) двигателя — отношение эффективной мощности к индикаторной:
• индикаторный КПД , представляет собой отношение теплоты Q_i эквивалентной индикаторной работе, ко всей теплоте Q, введенной в двигатель с топливом.
• эффективный КПД — отношение количества теплоты Q₂, превращенного в механическую работу на валу двигателя, ко всему количеству теплоты Q₁, подведенному в процессе работы.
• среднее эффективное давление р_е — произведение среднего индикаторного давления р_i (давление, действующее на поршень в течение одного хода поршня) на механический КПД .
• удельный индикаторный расход топлива g_i — количество топлива, расходуемого в двигателе для получения в течение 1 ч индикаторной мощности 1 кВт.
• удельный эффективный расход топлива g_e — количество топлива, которое расходуется в двигателе для получения в течение 1 ч 1 кВт эффективной мощности.

 

 

 

 

2.Рабочие циклы двигателей

 

2.1. Принцип работы 

 

Действие поршневого двигателя  внутреннего сгорания основано на использовании работы теплового расширения нагретых газов во время движения поршня.

Нагревание газов достигается  в результате сгорания в цилиндре топлива, перемешанного с воздухом. При этом повышается температура газов и давления. Т. к .давление под поршнем равно атмосферному, а в цилиндре оно намного больше, то под действием разницы давлений поршень будет перемещаться вниз, при этом газы - расширяться, совершая полезную работу. Вот здесь-то и дает о себе знать тепловое расширение газов, здесь и заключается его технологическая функция: давление на поршень.

 Чтобы двигатель постоянно вырабатывал механическую энергию, цилиндр необходимо периодически заполнять новыми порциями воздуха через впускной клапан и топливо через форсунку или подавать через впускной клапан смесь воздуха с топливом. Продукты сгорания топлива после их расширения удаляются из цилиндра через впускной клапан. Эти задачи выполняют механизм газораспределения, управляющий открытием и закрытием клапанов, и система подачи топлива.

 

 

2.2 . Рабочий цикл  четырехтактного карбюраторного  двигателя.

 

Тактами карбюраторного двигателя  являются впуск - наполнение цилиндра свежим зарядом горючей смеси; сжатие - впущенный в цилиндр свежий заряд горючей смеси сжимается для подготовки следующего такта, которым является рабочий ход, предназначенный для преобразования тепловой энергии в механическую работу; завершающим тактом является выпуск отработавших газов. Затем такты повторяются в такой же последовательности.

Рассмотрим теоретический рабочий  процесс двигателя, условно принимая, что все такты начинаются и заканчиваются в мертвых точках.

Первый такт - впуск (рисунок 2, а). Перед началом такта поршень находится в ВМТ. Выпускной клапан 6 при этом закрыт, а впускной 4 открывается. Поршень 1, перемещаясь из ВМТ в НМТ, освобождает объем над поршнем, создавая разрежение. Вращение коленчатого вала передается через детали газораспределительного механизма на впускной 4 клапан, и он открывается. Под действием разрежения в цилиндр 2 из карбюратора через впускную трубу 3 поступает горючая смесь. B цилиндре она смешивается с остаточными отработавшими газами и преобразуется в рабочую смесь. В конце такта впуска давление внутри цилиндра составляет 80...90 кПа. Температура рабочей смеси в конце такта впуска достигает 80...120°С при условии, что двигатель прогрет до оптимальной температуры. B противном случае температура будет ниже нормы.

Рисунок.2 – Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

а – впуск; б – сжатие; в – рабочий ход; г – выпуск.

 

Второй такт - сжатие (рисунок 2, б). При такте сжатия оба клапана закрыты. Поршень перемещается из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь в 6-11 раз. За счет сжатия температура рабочей смеси поднимается до 300... 450°С, а давление достигает 1,0... 1,2 МПа.

Третий такт - рабочий ход (рисунок 2, в). В конце такта сжатия при подходе поршня к ВМТ через свечу зажигания 5 в цилиндр подается электрическая искра, от которой воспламеняется рабочая смесь в цилиндре. При сгорании рабочей смеси температура в камере сгорания поднимается до 2000... 2500°С, что приводит к резкому возрастанию давления внутри цилиндра, достигающему 3... 5 МПа. Давление передается на днище поршня 1, далее через поршневой палец и шатун 8 на коленчатый вал 9, заставляя его вращаться. Поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. Оба клапана при рабочем ходе закрыты. Это основной такт, при нем происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. После быстрого нарастания давления в начале рабочего хода и передачи этого давления на коленчатый вал начинается уменьшение давления в результате увеличения объема над поршнем. Происходит снижение температуры до 1200... 1400°С и давления до 400... 500 кПа. В конце рабочего хода открывается выпускной клапан, и отработавшие газы через выпускную трубу 7 и глушитель начинают выходить в атмосферу.

Четвертый такт - выпуск отработавших газов (рис. 2, г). При такте выпуска открывается выпускной клапан 6, и отработавшие газы через выпускную трубу 7 выходят в атмосферу. Поршень при этом перемещается из НМТ в ВМТ. Однако полностью очистить цилиндр от отработавших газов не удается. Часть отработавших газов остается в цилиндре и смешивается со следующим зарядом горючей смеси. Когда поршень приходит в ВМТ, закрывается выпускной клапан, и рабочий процесс повторяется. В конце такта выпуска давление в цилиндре снижается до 110... 120 кПа, а температура до 700...850°С.

 

2.3 Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя

 

Рабочий цикл четырехтактного дизеля, как и карбюраторного, состоит  из четырех повторяющихся тактов: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск.

Однако этот процесс имеет существенные отличия, заключающиеся в характере протекания, заполнении цилиндра свежим зарядом, способе смесеобразования и воспламенения горючей смеси, так как у дизелей топливо подается в цилиндр не в виде готовой горючей смеси, а в мелкораспыленном состоянии.

Первый такт - впуск (рисунок 3, а). Перед началом впуска поршень 7 находится в ВМТ и начинает движение к НМТ. Выпускной клапан 5 при этом закрыт. При увеличении рабочего объема в цилиндре 6 создается разрежение, и в него начинает поступать воздух, предварительно прошедший через воздушный фильтр 3. В цилиндре воздух смешивается с небольшим количеством отработавших газов, которые не вышли из цилиндра при такте выпуска. 3аканчивается такт впуска в момент прихода поршня в НМТ. В это время закрывается впускной клапан 4. Когда заканчивается впуск в цилиндр чистого воздуха, температура в нем составляет 50...80°С (у прогретого двигателя), давление - 90... 95 кПа.

Второй такт - сжатие (рисунок 3, б). После окончания такта впуска и закрытия впускного клапана поршень начинает перемещаться от НМТ к ВМТ, сжимая чистый воздух. К концу такта в результате сжатия температура воздуха составляет 600... 700°С, а давление - 4... 5 МПа. Такое повышение температуры и давления обусловлено высокой степенью сжатия у дизелей (16 ...24). Высокая температура и давление необходимы для воспламенения топлива, впрыскиваемого в цилиндр двигателя в конце такта сжатия насосом высокого давления 1 через форсунку 2. Для надежной работы двигателя температура сжатого воздуха в цилиндре должна быть значительно выше температуры самовоспламенения топлива.

Рисунок 3 – Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя

а – впуск; б – сжатие; в – рабочий ход; г – выпуск.

Третий такт - рабочий ход (рисунок 3, в). В конце такта сжатия, когда поршень не доходит до ВМТ на 15° ± 30', считая по обороту коленчатого вала, насос высокого давления впрыскивает через форсунку дизельное топливо под давлением 15...20 МПа. Давление впрыска топлива должно значительно превышать давление воздуха, сжатого в камере сгорания, чтобы обеспечить тонкое распыление топлива и распределение его по объему камеры сгорания. От величины давления впрыска и формы камеры сгорания зависит качество приготовления горючей смеси. Струя топлива при выходе из распыляющих отверстий сопла дробится на мелкие частицы. Распылению и быстрому испарению топлива способствует специальная форма камеры сгорания, благодаря которой струя топлива и воздух в камере приходят в вихревое движение. Под действием высокой температуры (600... 700°С) происходит самовоспламенение рабочей смеси. Часть рабочей смеси сгорает при движении поршня к ВМТ, т. е. в конце такта сжатия, а другая часть - при движении поршня к НМТ. Образующиеся при сгорании газы создают давление на днище поршня 6...8 МПа при температуре 1800... 2000°С. Поршень под давлением газов перемещается от ВМТ и совершает механическую работу. К концу рабочего хода температура в цилиндре снижается до 1100... 1300°С, давление - до 300...400 кПа.

Четвертый такт - выпуск (рисунок 3, г). Рабочий ход заканчивается, когда поршень доходит до НМТ и открывается выпускной клапан. Отработавшие газы под действием внутреннего давления через выпускной клапан, выпускную трубу и глушитель выходят в атмосферу. Поршень начинает движение от НМТ к ВМТ, вытесняя остаточные отработавшие газы. Впускной клапан при этом закрыт. В конце такта выпуска температура отработавших газов снижается до ~ 700...800°С, а давление - до 110... 120 кПа. При дальнейшем вращении коленчатого вала вышеперечисленные такты повторяются в той же последовательности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итак, мы видим, что двигатели  внутреннего сгорания - очень сложный  механизм.

И Функция, выполняемая тепловым расширением в двигателях внутреннего  сгорания не так проста, как это  кажется на первый взгляд. Да и не существовало бы двигателей внутреннего  сгорания без использования теплового  расширения газов.

И в этом мы легко убеждаемся, рассмотрев подробно принцип работы ДВС, их рабочие циклы - вся их работа основана на использовании теплового расширении газов. Но ДВС - это только одно из конкретных применений теплового расширения. И судя по тому, какую пользу приносит тепловое расширение людям через двигатель внутреннего сгорания, можно судить о пользе данного явления в других областях человеческой деятельности.

В данной работе поставленные цели и задачи достигнуты. Рассмотрены  теоретические основы двигателей внутреннего  сгорания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК использованных  ИСТОЧНИКОВ

 

1.  Вершигора, В. А. Автомобили ВАЗ Устройство и ремонт. [Текст] / Вершигора В. А., Игнатов А. Я., Новокшенов К. В. – М., 2002.

2.Суханов, Б.Н. Техническое  обслуживание и ремонт автомобилей  [Текст]: пособие по дипломному  проектированию /Б.Н.Суханов, И.О.Борзых, Ю.Ф.Бедарев. –М.: Транспорт, 2003.

3. Круглов, С. М. Устройство, техническое обслуживание и ремонт автомобилей [Текст] / Круглое С. М.– М., 2002.

4. Ремонт автомобилей  [Текст] / Л. В. Дехтеринский, К.  У. Акмаев, В. П. Алсин и др.; под ред. Л. В. Дехтеринского.  – М., 2002.

5. Росс, Твег. Устройство, обслуживание и ремонт [Текст] /  Росс, Твег – М., 2003.

6. Румянцев, С. И. Техническое обслуживание и ремонт автомобилей [Текст] / Румянцев С. И., Синельников А. Ф., Штоль Ю. Л – М., 2004.

7. Техническое обслуживание  и ремонт автомобилей [Текст]/ Ю. И. Боровских, Ю.В. Буралев,  К.А. Морозов, В.М. Никифоров  – М., 2004.

8. Технологическое оборудование  для технического обслуживания  и ремонта легковых автомобилей  [Текст]/ Р. А. Попржедииский, А  М. Харазов, В Г. Карцев,   3. Г. Евсеева. – М., 2002 с.

9. Устройство, техническое  обслуживание и ремонт автомобилей  [Текст] / Ю. И. Боровских, Ю. В.  Буралев, К. А. Морозов и др. – М., 2002.

10. Шестопалов С. К. Устройство, техническое обслуживание и ремонт легковых автомобилей [Текст] / Шестопалов С. К. – М., 2003.