Ход работы четырехтактного двигателя

инженеров.net — научно-познавательный сайт

Sunday , Sep 12th

Last update 08:30:58 AM GMT

  • начало
  • транспорт
  • космос
  • наука
  • hi-tech
  • как это работает
  • сделай сам
  • интересно
  • инженерам
  • Skip to content

ДВС — четырехтактный двигатель, принцип работы

  • 1
  • 2
  • 3
  • 4
  • 5

Четырехтактный двигатель был впервые продемонстрирован Николаусом Отто в 1876 году и поэтому он также известен как цикл Отто. Технически правильный термин — четырехтактный цикл. Четырехтактные двигателя является наиболее распространенным типом двигателя в настоящее время. Они установлены практически на всех легковых автомобилях и грузовиках.

Четырехтактный двигатель был впервые продемонстрирован Николаусом Отто в 1876 году и поэтому он также известен как цикл Отто. Технически правильный термин — четырехтактный цикл. Четырехтактные двигателя, возможно, является наиболее распространенным типом двигателя в настоящее время. Они установлены на всех легковых автомобилях и грузовиках.

Четыре такта цикла — это впуск, компрессия, расширение и выпуск выхлопных газов. Каждому соответствует один полный ход поршня, поэтому полный цикл требует двух оборотов коленчатого вала.

Такт впуска.
Во время впуска, поршень движется от ВМТ (верхней мертвой точки) вниз к НМТ (нижней мертвой точке), засасывая свежий заряд топливо-воздушной смеси. Изображенный на рисунке двигатель имеет ‘тарельчатый’ впускной клапан, который открывается потоком всасываемого свежего заряда. Некоторые ранние двигатели работали именно таким образом. Однако, в современных двигателях впускной клапан открывается кулачком распределительного клапана.

Такт сжатия.
После достижения НМТ поршень начинает двигаться вверх к ВМТ, давление в цилиндре возрастает, впускной клапан закрывается и происходит сжатие топливо-воздушной смеси.

Такт расширения, или рабочий ход.
Незадолго до конца цикла сжатия топливо-воздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом.

Такт выпуска.
После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, и цикл начинается сначала.

Анимационные рисунки показывают основной принцип работы одного цилиндра четырех-тактного двигателя.

Устройство и принцип работы четырёхтактного двигателя и двухтактного двигателя скутера

Преимущества четырёхтактных двигателей
  • Б́ольшая экономичность
  • Более чистый выхлоп (экологически чище)
  • Не требуется сложная выхлопная система
  • Меньший шум, вибрация
  • Отсутствие необходимости постоянного контроля уровня масла
Преимущества двухтактных двигателей

Устройство и принцип работы четырёхтактного двигателя и двухтактного двигателя

Четырёхтактный двигатель

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх основных этапов — тактов.
Поршень — металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива, в промежутке между поршнем и стенками цилиндра. Пoршень снабжен металлическим стержнем — пальцем, соединение с шатуном. Шатун передаёт прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

1. Впуск — четырёхтактный двигатель

В процессе впуска поршень четырёхтактного двигателя идёт из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). Одновременно кулачком распредвала открывается впускной клапан, — в цилиндр четырёхтактного двигателя затягивается свежая топливно-воздушная смесь.

2. Сжатие — четырёхтактный двигатель

Пoршень четырёхтактного двигателя поднимается из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую топливную смесь. Одновременно и значительно поднимается температура горючей смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия (не путать с компрессией). Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Но, для четырёхтактного двигателя с б́ольшей степенью сжатия требуется топливо с б́ольшим октановым числом, которое дороже.

Читать еще:  Ауди 100 не набирает обороты двигатель причины

3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня) — четырёхтактный двигатель

Незадолго до окончания такта сжатия горючая смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания. Во время следования поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси именуется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы давление газов достигло максимальной величины когда пoршень будет находиться в ВМТ. Тогда использование энергии сгоревшего топлива будет максимальным. Скороть горения топлива практически не меняется, то есть занимает фиксированное время, следовательно чтобы достичь максимальной производительности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания пропорционально уровню оборотов коленвала. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель). В более современных двигателях для регулировки угла используется электронное опережение зажигания.

4. Выпуск — четырёхтактный двигатель

После НМТ такта рабочего хода поршня четырёхтактного двигателя открывается выпускной клапан, и поднимающийся поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и четырёхтактный цикл начинается сначала.

Необходимо также помнить, что следующий процесс (например, впуск), необязательно должен начинаться в тот момент, когда закончится предыдущий (например, выпуск). Такое положение, когда открыты сразу оба клапана (впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов необходимо для лучшего наполнения цилиндра/-ов горючей смесью, а также для лучшей очистки цилиндра/-ов четырёхтактного двигателя от отработанных газов.

1 — цилиндр с головкой
2 — крышка головки цилиндра
3 — карбюратор
4 — впускной патрубок
5 — электростартер.

Для ещё большей наглядности посмотри видеоролик, наглядно показывающий работу четырёхтактного двигателя. На этом видео демонстрируется автомобильный четырёхцилиндровый шестнадцатиклапанный (то есть, в каждом цилиндре по два впускных и выпускных клапана, для лучшей продувки) двигатель, однако сути это не меняет.

5.6. Двигатель внутреннего сгорания

Тепловой двигатель — это периодически действующее устройство, в котором тепловая энергия преобразуется в механическую работу.

Тепловые двигатели разнообразны по конструкции и назначению. К ним относятся паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели и т. д. (см. рис. 5.9).

Рис. 5.9. Тепловые двигатели: 1 паровая машина; 2 двигатель внутреннего сгорания; 3 газовая турбина; 4 ракетный двигатель

Несмотря на многообразие, в основе практически всех тепловых двигателей лежит общий принцип — принцип циклического действия. Основными частями любого теплового двигателя являются: нагреватель, рабочее тело и холодильник.

Рассмотрим в качестве примера работу четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. В этом двигателе высокая температура достигается за счет сгорания рабочей смеси (бензина с воздухом) внутри цилиндра двигателя; воспламенение смеси происходит с помощью искрового зажигания. Перечислим основные стадии работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания:

Работа четырехтактного двигателя внутреннего сгорания показана на рис. 5.10.

Рис. 5.10. Работа четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

Рассмотрим идеализированный процесс (цикл Отто), близкий к используемому в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания. Цикл Отто изображен на рис. 5.11.

Рис. 5.11. Идеализированный цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (цикл Отто)

Как обычно, термодинамические параметры имеют индексом номер соответствующей точки на рисунке (в данном случае надо будет помнить, что V3 = V2; V4 = V1).

Читать еще:  Что такое щуп в двигателе

Изобара А1. Первый такт цикла. Вследствие движения поршня в цилиндр всасывается горючее. Приближенно можно считать, что это происходит при атмосферном давлении p1. Объем увеличивается от V1 до V2.

Адиабата 12. Второй такт цикла. Теплообмена со средой нет. Поршень движется в обратном направлении, адиабатно сжимая смесь от объема V1 до объема V2. При этом повышается давление, и температура растет от Т1 до Т2. Связь температур и объемов в начале и конце адиабатной части цикла дается соотношением

Изохора 23. Начало третьего такта. Под действием электрической искры горючая смесь взрывается: давление почти мгновенно возрастает до значения р3, а объем еще не успевает измениться. Температура растет от T2 до Т3 за счет тепла, выделенного при взрыве. Работа не производится, а количество полученного тепла выражается формулой

Адиабата 34. Продолжение третьего такта. Теплообмена со средой нет. Газ адиабатно расширяется до максимального объема цилиндра V1, падают температура и давление. Связь температур и объемов в начале и конце адиабаты дается уравнением

Изохора 4l. Конец третьего такта. Открывается клапан, давление падает до атмосферного при постоянном объеме. Температура также падает до значения Т1.

Изобара 1А. Четвертый такт. Поршень выталкивает из цилиндра отработанные газы, система возвращается в начальное состояние. Поскольку участок А-1 проходится дважды в разных направлениях, соответствующие вклады в работу и в теплоту сокращаются и могут не приниматься во внимание.

Таким образом, получаем для КПД цикла

Из уравнений (1), (3) следует равенство отношений

Подставляя (6) в (5), приходим к окончательному выражению для КПД цикла

Оно получилось очень похожим на формулу для КПД цикла Карно, но обратим внимание, что максимальной температурой здесь является температура в точке 3 (Тmах = Т3), а минимальной — температура в точке 1 (Tmin = T1). Поэтому КПД цикла Карно, работающего между такими температурами, равнялся бы

Разность этих двух выражений отлична от нуля:

поскольку Т4 > T1. Мы воочию убедились, что КПД рассмотренного цикла меньше КПД цикла Карно. Заметим также, что КПД цикла Отто можно выразить через отношение объемов:

Величина V1/V2 называется сжатием. Получается, что КПД рассмотренного цикла определяется только величиной сжатия горючей смеси и показателем адиабаты.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

Принцип действия двигателя внутреннего сгорания (ДВС) показан на рисунке, где для наглядности совмещена индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя и его принципиальная схема.

Поршень, перемещаемый в цилиндре диаметром D, шарнирно соединен с шатуном, который в свою очередь шарнирно соединен с кривошипом коленчатого вала. В головке цилиндра установлены впускной к1, и выпускной к2 клапаны, которые связывают полость внутри цилиндра с окружающей средой. Поршень совершает возвратно-поступательное движение (ход поршня S), а коленчатый вал — вращательное. Так как двигатель четырехтактный, одному обороту коленчатого вала соответствуют два хода поршня.

Рис. Индикаторная диаграмма работы четырехтактного ДВС и его принципиальная схема

При движении поршня от клапанов внутрь цилиндра через впускной клапан к1 засасывается горючая смесь (кривая О—1′). Прямая a—а’ соответствует давлению окружающей среды. При впуске не происходит изменение параметров состояния смеси (р, v и Т), меняются лишь масса (G) и объем (V) смеси. При обратном движении поршня горючая смесь сжимается по адиабате (кривая 1’—2). Происходит изменение состояния смеси, параметры p, v и Т при постоянном количестве смеси, заключенной в цилиндре, при сжатии изменяются. Клапаны при этом закрыты.

По окончании сжатия смесь зажигается и очень быстро сгорает. Прямая 2—3 соответствует изменению состояния рабочего тела, причем происходит изменение как термодинамических параметров, так и химического состава рабочего тела. До вспышки (точка 2) рабочее тело представляло собой горючую смесь, в конце горения (точка 3) это уже продукт горения.

Читать еще:  Что такое двигатель отто

На этом этапе происходит очень резкое увеличение давления (р) и температуры (Т). Теплотой, выделившейся в результате сгорания смеси, нагреваются продукты сгорания, их давление и температура увеличиваются.

Когда поршень делает третий ход, происходит процесс расширения газов (кривая 3—4), осуществляется адиабатный процесс изменения состояния продуктов сгорания.

При четвертом ходе поршня, который совпадает по направлению со вторым, из цилиндра удаляются продукты сгорания через выпускной клапан к2. Причем начало этого процесса совпадает с концом процесса расширения (прямая 4—1). Избыточное давление в цилиндре падает. При этом не происходит изменения состояния рабочего тела, так как падает давление с р4 до р1 не в результате охлаждения рабочего тела посредством теплообмена в холодильнике, а путем выпуска рабочего тела, т.е. без теплообмена.

Далее, при движении поршня в сторону клапанов происходит принудительное удаление остатков продуктов сгорания из цилиндра (кривая 1—0)у меняется масса (G) и объем (V) рабочего тела. Далее цикл повторяется.

Таким образом, цикл двигателя внутреннего сгорания формируется четырьмя возвратно-поступательными ходами поршня, называемыми тактами двигателя. Поэтому данный двигатель называется четырехтактным.

Если у двигателя отсутствуют такты впуска и выпуска, то он называется двухтактным, и его вал делает один оборот за цикл. Цикл двухтактного двигателя состоит из тех же процессов, что и для четырехтактного, а название тактов определяется основными процессами, которые протекают в цилиндре (такт расширения и такт сжатия). При этом процессы впуска свежего заряда и выпуска продуктов сгорания осуществляются соответственно в начале такта сжатия и в конце такта расширения, протекая почти одновременно. Площадь фигуры 1234 на индикаторной диаграмме соответствует работе за один цикл.

На рисунке показана индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Диаграмма термодинамического цикла отлична от индикаторной диаграммы, так как она показывает изменение состояния рабочего тела, а индикаторная — изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня.

ДВС, как это видно из рисунка, не работают по замкнутому круговому процессу, но их циклы условно считают круговыми обратимыми циклами и при их исследовании используют те же термодинамические методы изучения, для чего действительные процессы, протекающие в ДВС, заменяются обратимыми термодинамически ми процессами. Составленный из термодинамических обратимых процессов цикл исследуется на термический КПД, работу и параметры состояния.

Исследование теоретических циклов позволяет определить максимальный с точки зрения термодинамики КПД в данных условиях и факторы, которые влияют на экономичность двигателя.

По принципу работы, т. е. по характеру подвода теплоты к рабочему телу циклы ДВС можно разбить на три группы:

  1. циклы с подводом теплоты к газу при постоянном объеме;
  2. циклы с подводом теплоты к газу при постоянном давлении;
  3. смешанные циклы — с подводом теплоты к газу частично при постоянном объеме, частично при постоянном давлении.

Термодинамические циклы исследуются одним методом, который включает в себя следующие этапы:

  1. по условию и характеру работы двигатели строится индикаторная диаграмма цикла;
  2. определяются параметры рабочего тела в характерных точках на основании формул, выражающих соотношения между параметрами состояния для процессов данного цикла;
  3. определяются теплота и работа цикла;
  4. определяется термический КПД цикла по формуле:

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector