Лекція № 3. Робочі цикли ДВЗ.
План:
Визначення термінів: робочий цикл, чотиритактний і двотактний двигуни.
Робочі цикли ДВЗ.
Особливості роботи ДВЗ із різною кількістю циліндрів
Визначення термінів: робочий цикл, чотиритактний і двотактний двигуни.
Робочим циклом називають сукупність процесів, що періодично повторюються в циліндрах двигуна і зумовлюють його безперервну роботу. Процес, що відбувається в циліндрі двигуна за один хід його поршня, називають тактом.
Якщо повний робочий цикл у кожному циліндрі двигуна відбувається за чотири ходи поршня (за два оберти колінчастого вала ), то такий двигун називають чотиритактним. Двигун, в циліндрі якого повний робочий цикл відбувається за два ходи поршня (один оберт колінчастого вала), називають двотактним.
Сучасні автомобілі частіш за все обладнують чотиритактними двигунами. Основним параметром, який характеризує фізичні процеси, що відбуваються в циліндрах двигуна, є тиск газів Р. Протягом чотирьох тактів
робочого циклу цей тиск постійно змінюється.
Графічну залежність абсолютного тиску Р над поршнем від об’єму циліндра V називають індикаторною діаграмою двигуна.
Робочі цикли ДВЗ.
Перший такт “Впуск” відбувається під час руху поршня від ВМТ до НМТ, при повороті кривошипа на 180. Перед початком такту, коли поршень знаходиться в положенні, близькому до ВМТ, у камері згоряння знаходяться залишки продуктів згоряння від попереднього процесу (такту випуску). Обидва клапани рухаються: впускний починає відкриватись, а випускний ще не закрився. При подальшому русі поршень досягає ВМТ, а механізм газорозподілу повністю відкриває впускний і повністю закриває випускний клапани. Після проходження поршнем ВМТ тиск в надпоршневому просторі стає меншим, ніж атмосферний, і під дією такого розрідження паливоповітряна суміш ( у двигунах із зовнішнім сумішоутворенням ) чи повітря ( у дизелях ) надходить до циліндра. Змішуючись із залишками відпрацьованих газів, горюча суміш (повітря) утворює в циліндрові робочу суміш. У двигунів із зовнішнім сумішоутворенням середній тиск впуску складає 0,070 … 0,095МПа, у дизелів – він трохи вищий. Стикаючись з нагрітими деталями двигуна робоча суміш нагрівається і температура у циліндрі в кінці такту впуску становить 70 … 110С .
Другий такт “Стискання” відбувається під час руху поршня від НМТ до ВМТ при повороті кривошипа від 180 до 360. На початку такту стискання,
після того, як поршень вже пройшов НМТ, впускний клапан деякий час залишається відкритим (запізнення закриття впускного клапана може складати 30…70 повороту колінчастого вала після НМТ). Це дозволяє поліпшити заповнення циліндра свіжим зарядом завдяки використання інерції його потоку у впускному трубопроводі. Після повного закриття впускного клапана завдяки зменшенні об’єму над поршнем відбувається стискання робочої суміші.
Тиск її підвищується і, досягнувши значення атмосферного, продовжує збільшуватись, досягаючи наприкінці такту 1,2…1,7 МПа у двигунів із зовнішнім сумішоутворенням і 3,5...4,5 МПа у дизелів.
Температура в кінці такту стискання у зазначених двигунах підвищується відповідно до 270...4800С і до 500...6500С.
Наприкінці такту стискання у момент, коли поршень ще не дійшов до ВМТ, відбувається запалювання робочої суміші від електричної іскри (двигуни із зовнішнім сумішоутворенням) чи початок впорскування і самозаймання дизельного палива (двигуни із внутрішнім сумішоутворенням). Таке випередження запалювання горючої суміші або ранній початок впорскування палива необхідне, оскільки для згоряння робочої суміші потрібен деякий час, а для найкращого використання теплоти необхідно, щоб згоряння закінчилося повністю, коли поршень проходить ВМТ. Тоді на початку наступного такту тиск на поршень буде максимальним.
Третій такт “Робочий хід” або “Розширення” відбувається під час руху поршня з ВМТ до НМТ при повороті кривошипа на кут від 360 до 540. На початку такту робоча суміш інтенсивно догоряє, що веде до значного підвищення температури і тиску, незважаючи на збільшення об’єму. Максимальний тиск при цьому складає 4,0…5,5МПа у двигунів із зовнішнім сумішоутворенням і 6,5…9,8 МПа у дизелів, а температура досягає відповідно 2200…2500С і 1600…1900С.
Робота розширення газів використовується найбільш ефективно, якщо їх тиск у циліндрі досягає свого найбільшого значення при положенні поршня, що відповідає куту повороту кривошипа 10…15 після ВМТ. Подальший рух поршня у напрямку до НМТ відбувається під дією тиску, що поступово зменшується. При цьому теплова енергія газів перетворюється в корисну роботу. Всі інші такти допоміжні.
Четвертий такт “Випуск” відбувається під час руху поршня від НМТ до ВМТ, при повороті кривошипа на кут від 540 до 720.
Випускний клапан починає відкриватися наприкінці попереднього такту, коли поршень ще не дійшов до НМТ, а кривошип знаходиться за 40 … 60 до свого крайнього нижнього положення. При цьому тиск у циліндрі ще досить високий і відпрацьовані гази починають виходити через випускний клапан ще до того, як їх почне витісняти поршень. Після проходження НМТ поршень, рухаючись у напрямку ВМТ, виштовхує відпрацьовані гази крізь повністю відкритий випускний клапан у випускний колектор. Закривається випускний клапан після того, як поршень пройшов ВМТ. Під час такого пізнього закриття випускного клапана відпрацьовані гази продовжують виходити з циліндра по інерції. У такий спосіб наприкінці четвертого такту і початку першого такту наступного циклу обидва клапани протягом деякого часу відкриті одночасно. Таке положення називають перекриттям клапанів. Отже, раннє відкриття і
запізнене закриття випускного клапана, а також перекриття клапанів дозволяє значно покращити очищення циліндра від продуктів згоряння.
Четвертим тактом закінчується робочий цикл двигуна. У подальшому усі процеси циклу повторюються в тій же послідовності.
Особливості роботи ДВЗ з різною кількістю циліндрів.
Корисна механічна робота у чотиритактному двигуні здійснюється тільки протягом одного такту – робочого ходу. Решта три такти – випускання, впускання, стискання – є підготовчими і здійснюються завдяки кінетичній енергії маховика, що обертається за енергією у проміжках часу між робочими ходами. Якщо двигуни мають кілька циліндрів, які працюють у певному порядку, то підготовчі такти в одних циліндрах здійснюються завдяки енергії, що розвивається в інших циліндрах.
Сучасні автомобільні двигуни, як правило, чотири–, шести–, восьмициліндрові, рідше три–, десяти– й двадцятициліндрові (БелАЗ).
У багатоциліндровому чотиритактному двигуні за два оберти колінчастого вала (720) відбувається стільки робочих ходів, скільки циліндрів у двигуні. З умови рівномірності обертання колінчастого вала потрібно, щоб чергування робочих ходів у різних циліндрах становило 720 / і , де і – кількість циліндрів.
Отже, в чотири–, шести– й восьмициліндрових двигунах робочі ходи мають відбуватися відповідно через 180, 120 і 90 повороту колінчастого вала.