Сжатие. После заполнения цилиндра горючей смесью дальнейший поворот коленчатого вала (второй полуоборот) перемещает поршень из НМТ в ТДК при закрытом клапане. По мере уменьшения объема температура и давление смеси увеличиваются.
Рабочий процесс четырехтактного дизельного двигателя
Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания представляет собой ряд последовательных процессов, происходящих в каждом рабочем цилиндре. Основной задачей рабочего процесса является преобразование тепловой энергии от сгорания рабочего тела в механическую работу, в частности, во вращательное движение коленчатого вала. Большинство автомобильных двигателей работают по четырехтактному циклу. Это происходит при двух оборотах коленчатого вала или четырех ходах поршня и состоит из цикла впуска, сжатия, расширения и выпуска.
Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя выглядит следующим образом
Первый такт — впуск.
Структура двигателей современных автомобилей
Устройство двигателей современных автомобилей, структура и механизмы систем
Проектирование систем и механизмов двигателей современных автомобилей
Поршень перемещается от TMT к NFT, и очищенный воздух поступает в цилиндр через открытый впускной клапан (благодаря разбавлению, создаваемому поршнем). Воздух смешивается с небольшим количеством отработанных газов, оставшихся после предыдущего цикла, температура повышается и достигает 300-320 К, а давление в конце такта впуска составляет 0,08-0,09 МПа. Коэффициент заполнения цилиндра больше 0,9, т.е. больше, чем коэффициент для карбюраторных двигателей.
Преимущества четырёхтактных двигателей:
- Экономичный расход топлива за счет меньшего количества рабочих ходов в единицу времени.
- Четырехтактные двигатели внутреннего сгорания имеют более низкую надежность из-за тепловой зоны.
- Двигатели намного тише своих двухтактных аналогов.
В отличие от двухтактного двигателя, в котором смазка коленвала, подшипников коленвала, компрессионных колец, поршня, пальца поршня и цилиндра осуществляется благодаря добавлению смазочного материала в топливо, — коленвал четырехтактного двигателя смазывается принудительно давлением. На зеркале поршня и стенках глушителя и выхлопной системе образуется значительно меньше нагара. К тому же, в 2-тактном двигателе происходит выброс топливной смеси в выхлопную трубу и влияет на экологию. С экологией у отдельная проблема.
В отличие от бензинового двигателя, при такте ‘впуск’ в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта ‘сжатие’ воздух нагревается до 600 о С. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.
Устройство автомобилей
Работа двигателя внутреннего сгорания может быть выражена в виде систематически повторяющегося процесса, называемого рабочим циклом. Рабочий цикл двигателя — это непрерывный и циклически повторяющийся процесс работы многих цилиндров, в результате которого тепловая энергия топлива преобразуется в механическую работу. В этом случае полный рабочий цикл можно разделить на одинаковые (повторяющиеся) части — такты.
Часть рабочего цикла, которая происходит во время перемещения поршня из одной мертвой точки в другую, т.е. за один ход поршня, называется ходом. Двигатель с четырехтактным (два оборота коленчатого вала) рабочим циклом называется четырехтактным. В головке цилиндра над камерой сгорания (рис. 1) карбюраторных двигателей установлены впускной 4 и выпускной 6 клапаны, управляемые газораспределительным механизмом, и свеча зажигания 5.
Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя состоит из непрерывных тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.
Ход впуска.
В результате вращения коленчатого вала при запуске двигателя (вручную или с помощью специальных устройств, например, кривошипного или электрического двигателя — стартера) поршень перемещается из верхней мертвой точки (TDC) в нижнюю мертвую точку (BMT). Впускной клапан 4 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт. По мере движения поршня вниз объем цилиндра быстро увеличивается (до ММТ), давление над поршнем снижается до 0,07 0,09 МПа, т.е. вакуум — в цилиндре создается чрезмерное разбавление. Впускной клапан 3 взаимодействует со специальным устройством — карбюратором, который готовит горючую смесь из топлива и воздуха. Благодаря разнице давлений между карбюратором и цилиндром горючая смесь всасывается в цилиндр двигателя через открытый впускной клапан.
Когда двигатель уже работает, топливная смесь, поступающая в цилиндр из карбюратора, смешивается с остатками сгорания от предыдущего цикла, образуя рабочую смесь. Смешиваясь с другими продуктами сгорания и контактируя с нагретыми частями цилиндра, рабочая смесь нагревается до 75
Компрессионное избиение.
Когда поршень приближается к BDC, впускной клапан закрывается. Затем плунжер начинает двигаться вверх к TDC, сжимая воздух, топливо и остатки сгорания, которые не были удалены из цилиндра во время испарения. По мере перемещения плунжера от НМТ к ТДК вследствие сужения объема цилиндра закрывающимся клапаном давление смеси увеличивается, а температура смеси повышается (в соответствии с законом Гей-Люссака). В конце пути сжатия давление в цилиндре увеличивается до 0,9 … 1,5 МПа, а температура смеси достигает 270-480 °C. В этот момент на электроды зажигания подается высокое напряжение5 , между электродами возникает искровой разряд, который воспламеняет смесь и вызывает горение. При сгорании выделяется большое количество тепла, температура газов (продуктов сгорания) повышается до 2200-2500 °C, а давление в цилиндре достигает 3,0 … достигается 4,5 МПа. Газ начинает расширяться, проталкивая плунжер вниз в просверленное отверстие.
Маршрут расширения — это первая часть маршрута.
Под действием давления расширяющегося газа плунжер перемещается из TDC в NTMT (оба клапана закрыты). Путь поршня во время пути расширения называется корневым, потому что в течение этого времени (цикла) тепловая энергия преобразуется в полезные задачи. При движении плунжера к TDC объем цилиндра увеличивается, поэтому давление возрастает до 0,3 … 0,4 МПа, а температура газа снижается до 900 … 1200 °C.
Рабочий цикл четырехлетнего дизельного двигателя
Рабочий цикл дизельного двигателя принципиально отличается от цикла карбюраторного двигателя, так как рабочая смесь (топливо, воздух и продукты сгорания) готовится в цилиндре. Дизельные двигатели не имеют специальной схемы воспламенения рабочей смеси. Он воспламеняется самостоятельно благодаря высокой степени сжатия. В отличие от карбюраторных двигателей, в дизельных двигателях топливная смесь не подается на впускной клапан, а атмосферный воздух и топливо впрыскиваются через форсунку в конце пути сжатия. Как и в случае карбюраторных двигателей, продукты сгорания смеси, которые не могут быть удалены взрывом, остаются в цилиндре. Смешивание в дизельных двигателях (воздуха, топлива и продуктов сгорания) происходит в цилиндре и определяет основные различия в последовательности путей, составляющих рабочий цикл.
Более высокая степень сжатия приводит к тому, что воздух, поступающий в цилиндр через входной клапан, смешивается с оставшимся газом и нагревается (в буквальном смысле) до высоких температур. Это происходит, когда в цилиндр впрыскивается топливо, которое воспламеняется и сгорает.
Последовательность процессов в дизельном двигателе выглядит следующим образом (рис. 2).
Ход впуска.
Во время цикла ввода плунжер 2 перемещается из НМТ в ТДЦ. В то же время впускной клапан 5 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт. Из-за разницы между давлением окружающей среды и давлением в цилиндре существует разрыв в 0,08 0,09 МПа и температура в цилиндре не превышает 40 …. 70 °C.
Компрессионное избиение.
Во время пути сжатия оба клапана закрыты. Поршень 2 перемещается из НМТ в ТДЦ и сжимает смесь воздуха и отработавших газов. Давление в конце пути сжатия достигает 3 … достигается 6 МПа, а температура достигает 450 … 650 °C (выше температуры самостарения).
Когда поршень достигает TDC, через форсунку 3 происходит распыление влажного топлива в цилиндр в виде пара. Топливо подается от топливного насоса высокого давления (ТНВД) к форсунке (через трубку высокого давления). Форсунка обеспечивает тонкое распыление топлива в сжатом воздухе. Распыленное топливо воспламеняется и сгорает. При сгорании температура в цилиндре достигает 1600 … 1900 °C и 6 … 9 МПа.
Маршрут расширения — это первая часть маршрута.
По мере приближения к TDC оба клапана закрываются в конце пути сжатия. После того, как топливо распылит смесь и сгорит, сгорит и сгорит 2 под давлением раздутого газа, оно проходит через шатун, действующий на точку TDC, и вал коленчатого вала в точке NFT и совершает полезную работу. К концу пути сжатия топливо не сжигается. Он сжигается в начале маршрута расширения. В конце маршрута давление газа составляет 0,2 … 0,4 МПа и температура снижается до 700 … 900 °C.
Усталость.
По мере приближения к нижней мертвой точке открывается выпускной клапан 6, и большая часть отработавших газов под высоким давлением выводится из цилиндра в атмосферу. Поршень начинает двигаться от НМТ к ТДК, и выпускной клапан открывается, выталкивая другие выхлопные газы в атмосферу. В конце пути давление газа в баллоне составляет 0,11 … 0,12 МПа и температуре 600. Затем рабочий цикл повторяется.
Рабочий цикл двухтактного двигателя
Рабочий цикл двухтактного двигателя достигается за один оборот коленчатого вала. Схема двухтактного дизельного двигателя представлена на рис. Насос 3 всасывает воздух в цилиндр через впускное отверстие (вентиляция); 4. В нижней части цилиндра напротив впускного отверстия 7 расположено выпускное отверстие. На головке 5 блока цилиндров находится форсунка 6.
Кинетическая энергия двигателя вызывает первый путь (рис. 3, A), когда плунжер перемещается из точки TDC в точку TDC. Оба окна открыты. Воздух через входное отверстие 4 помещает оставшиеся выхлопные газы из цилиндра, выходящие через выходное отверстие 7. Это очищает цилиндр от выхлопных газов (очистка) и забивает его свежим грузом.
Когда поршень 8 движется вверх, он закрывает впускные и выпускные отверстия. В этот момент начинается процесс сжатия, в конце которого топливо впрыскивается через форсунку 6. Таким образом, во время первого полуоборота коленчатого вала происходит процесс наполнения и сжатия, и начинается сгорание.
Второй путь (рис. 3.b) происходит, когда поршень перемещается от ТМТ к НМТ. В результате выделения тепла при сгорании температура и давление в цилиндре увеличиваются. Поршень опускается и выполняет полезную задачу. Как только поршень открывает выпускное окно, отработанные газы под давлением начинают выходить в окружающую среду. К моменту открытия впускного окна давление в цилиндре достаточно снизилось, чтобы можно было очистить цилиндр, выпустив отработавшие газы путем подачи в цилиндр свежего воздуха от насоса 3. Этот процесс известен как очистка цилиндра. Одновременно с выходом отработанных газов цилиндр заполняется свежим грузом. Затем процедура повторяется в той же последовательности.
Рабочий цикл двухтактного двигателя с карбюратором аналогичен рабочему циклу двухтактного дизельного двигателя. Разница в том, что в цилиндры подается не свежий воздух, а топливная смесь. В конце процесса сжатия в цилиндре через свечу зажигания образуется искра, которая воспламеняет топливную смесь.
Преимущество двухтактного двигателя по сравнению с четырехтактным заключается в том, что каждый такт происходит за один оборот коленчатого вала вместо двух. Очевидно, что уменьшение количества проходов должно повысить эффективность, так как паразитные процессы уменьшаются. Также естественно предположить КПД четырехтактного двигателя за два оборота коленчатого вала, так как в четырехтактном двигателе есть четыре поездки, только одна из которых полезная (т.е. остальные три паразитные). Он должен быть ниже, чем КПД четырехтактного двигателя.
Серьезным недостатком двухтактных двигателей является их более низкая топливная эффективность и меньший срок службы по сравнению с четырехтактными двигателями. Этот недостаток объясняется тем, что при очистке одного или нескольких цилиндров новая топливная смесь частично удаляется с отработавшими газами, в отличие от четырехтактных двигателей, где газы выпускаются и вдыхаются одновременно. Эти недостатки, а также более высокая токсичность отработавших газов объясняют ограниченное применение двухтактных двигателей в автомобилях.
