Классификация и циклы двигателей

Тепловые двигатели разделяются на:

• поршневые двигатели внутреннего сгорания
• газотурбинные
• реактивные

На современных автомобилях устанавливают поршневые двигатели внутреннего сгорания, в которых топливо сжигается внутри рабочего цилиндра.

Но способу смесеобразования и воспламенения топлива поршневые двигатели внутреннего сгорания разделяются на две группы:

• а) с внешним смесеобразованием и принудительным зажиганием от электрической искры (карбюраторные и газовые)
• б) с внутренним смесеобразованием и воспламенением от соприкосновения с воздухом, сильно нагретым в цилиндре путем высокого сжатия (двигатели с воспламенением от сжатия или дизельные)

Рабочим циклом называется ряд последовательных процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре двигателя во время его работы.

Изображение рабочего цикла в виде замкнутой кривой, покалывающей изменение давления газов в течение цикла в зависимости от положения поршня в цилиндре, называется индикаторной диаграммой. Такую диаграмму снимают во время работы двигателя, используя прибор, называемый индикатором.

Рис. Индикаторная диаграмма четырехтактного карбюраторного двигателя:
1 — начало такта сжатия; 2 — момент зажигания смеси; 3 — конец, такта сжатия; 4 — точка максимального давления газов; 5 — начало открытия выпускного клапана; 6 — конец расширения газоз; 7 — конец такта выпуска;
Vа—полный объем цилиндра; Vh — рабочий объем цилиндра; Vc — объем камеры сгорания; S — ход поршня

Четырехтактный рабочий цикл

На рисунке изображена индикаторная диаграмма четырехтактного карбюраторного двигателя, снятая при работе его с максимальной мощностью. Здесь по горизонтальной оси отложен объем цилиндра V в кубических сантиметрах (или ход поршня), а по вертикальной оси — давление газов в цилиндре р в килограммах на квадратный сантиметр. Изменение давления газов в цилиндре при разных тактах цикла можно проследить по положению основных точек индикаторной диаграммы,

При такте впуска (линия 7—1) цилиндр наполняется горючей смесью. Чем лучше наполнение цилиндра, тем выше мощность двигателя.

Коэффициент наполнения — это отношение веса горючей смеси, действительно поступившей в цилиндр, к весу горючей смеси, которая могла бы заполнить рабочий объем цилиндра при атмосферном давлении и температуре окружающей среды 20°С. Величина коэффициента наполнения при полном открытии дросселя карбюратора и среднем числе оборотов коленчатого вала составляет 0,75—0,85; по мере прикрытия дросселя коэффициент наполнения уменьшается и при малых оборотах холостого хода доходит до 0,20.

Давление в цилиндре при впуске (линия 7—1) ниже атмосферного (0,7 — 0,9 кг/см2) вследствие сопротивления воздушного фильтра, карбюратора, впускного трубопровода и клапанов. Температура смеси в конце впуска 75—125°С.

Такт сжатия (линия 1—2—3). При сжатии рабочей смеси происходит повышение температуры и давления. Давление в конце такта сжатия (точка 3) тем больше, чем выше степень сжатия. При степени сжатия в карбюраторных автомобильных двигателях, равной 6—9, давление в конце такта сжатия равно 7—12 кг/см2, а температура газов 350—400°С.

Такт «сгорание—расширение» (линия 3—4—5—6). На индикаторной диаграмме линия сгорания (3—4) отклоняется от вертикали вправо, т. е. горение заканчивается, когда поршень несколько отойдет от в.м.т.

Чем выше скорость горения (в допустимых пределах), тем больше мощность двигателя. Скорость горения зависит от качества топлива, состава и степени завихрения рабочей смеси и ее температуры, степени сжатия, опережения зажигания и коэффинта остаточных газов.

Коэффициент остаточных газов показывает процентное содержание в рабочей смеси продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре от предыдущего цикла. При увеличении этого коэффициента понижается скороcть горения рабочей смеси.

В конце сгорания (точка 4) давление газов повышается до 30—40 кг/см2, а температура — до 2200—2500°С.

Расширение начинается после достижения газами максимального давления (точка 4); газы при этом оказывают давление на поршень и совершают полезную работу. К концу расширения (точка 6) давление газов в цилиндре уменьшается до 3—5 кг/см2, температура снижается до 1000—1200°С.

Такт выпуска (линия 6 -7). Для лучшей очистки цилиндра выпускной клапан открывается до н.м.т. (точка 5). Процесс выпуска протекает при давлении выше атмосферного, которое к концу такта снижается до 1,1 —1,2 кг\см2; температура к этому моменту уменьшается до 700—800°С.

Па новых моделях автомобилей Минского и Кременчугского автомобильных заводов устанавливают четырехтактные дизельные двигатели ЯМЗ-236 и ЯМЭ-238; индикаторная диаграмма таких двигателей показана на рисунке:

Рис. Индикаторная диаграмма четырехтактного дизельного двигателя: 1 — начало такта сжатия; 2 — момент впрыска топлива; 3 — конец такта сжатия; 4 — точка максимального давления газов; 5 — начало открытия выпускного клапана; 6 — конец расширения газов; 7 конец такта выпуска

При такте впуска (линия 7—1) в цилиндр поступает воздух. В связи с меньшим сопротивлением впускной системы (отсутствие карбюраторов) давление при впуске несколько выше (0,85—0,95 кг/см2), чем в карбюраторном двигателе, а температура ниже (40—60°С).

Такт сжатия (линия 1—2—3). Так как степень сжатия в дизельных двигателях ЯМЗ составляет 16,5, давление в конце сжатия (точка 3) повышается до 40—42 кг/см2, а температура воздуха — до 740—800°С.

Такт «сгорание-расширение» (линия 3—4—5—6). Форсунка начинает впрыскивать топливо за 20° до в.м.т. (точка 2), поэтому большая часть топлива сгорает до прихода поршня в в.м.т. (линия 3—4). Время, отводимое в дизельном двигателе на образование горючей смеси, в 20—30 раз меньше, чем в карбюраторном двигателе, поэтому для полного сгорания топлива необходимо вводить повышенное количество воздуха.

Давление газов в конце сгорания (точка 4) достигает 74—80 кг/см2, температура — 1700-2000°С. Давление к концу расширения (точка 6) снижается до 3—4 кг/см2, а температура — до 800—900°С.

Так как воздух в дизельных двигателях предварительно не подогревается и часть тепла топлива расходуется на подогрев подаваемого в цилиндр избыточного воздуха, то температура при сгорании—расширении в дизельных двигателях ниже, чем в карбюраторных.

Такт выпуска (линия 6—7). Выпускной клапан открывается за 56° до н.м.т. (точка 5). После н.м.т. (точка 6) давление газов быстро снижается до 1,1 —1,2 кг/см2 и до конца выпуска (точка 7) остается постоянным. Температура при выпуске 600—700°С.

Двухтактный рабочий цикл

Рис. Индикаторная диаграмма двухтактного дизельного двигателя с прямоточной продувкой:
1 — начало такта сжатия; 2 — момент закрытия продувочных отверстий; 3 — момент закрытия выпускных клапанов; 4 — момент впрыска топлива. 5 — начало горения; 6 — точка максимального давления газов; 7 — начало открытия выпускных клапанов; 8 — момент открытия продувочных отверстий

На рисунке приведена индикаторная диаграмма двухтактных дизельных двигателей с прямоточной продувкой (ЯАЗ-М204А и ЯАЗ-М206А), устанавливаемых на автомобилях МАЗ-200, КрАЗ-219 и их модификациях. Так как этот двигатель имеет нагнетатель воздуха, то вся диаграмма располагается выше линии атмосферного давления.

Первый такт. Когда поршень находится в н.м.т. (точка 1), давление воздуха в цилиндре — около 1,5 кг/см2, температура 90°С, продувочные отверстия и выпускные клапаны открыты, происходят продувка и наполнение цилиндра воздухом. При движении поршня от н.м.т. к в.м.т. кромка днища поршня перекрывает продувочные отверстия (точка 2; 46° после н.м.т.), в точке 3 (54° после н.м.т.) закрываются выпускные клапаны, и начинается сжатие воздуха. В конце такта в цилиндр, наполненный воздухом, сжатым до давления 50 кг/см2 и нагретым до температуры 600—700°С, впрыскивается под давлением до 1400 кг/см2 топливо (точка 4). Горение (линия 5—6) происходит почти при постоянном объеме. Давление в конце горения (точка 6) достигает 70—100 кг/см2, а температура 1800°С.

Второй такт. Поршень движется от в.м.т. к н.м.т, происходит расширение газов. В конце расширения при давлении около 5—6 кг/см2 и температуре 800°С (точка 7, 85° до н.м.т.) открываются выпускные клапаны, а затем и продувочные ошерстия (точка 8; 46° до н.м.т.); происходят выпуск отработавших газов и продувка цилиндра воздухом.

В двухтактных двигателях процесс сгорание—расширение происходит при каждом обороте коленчатого вала, т.е. вдвое чаше, чем в четырехтактных, поэтому двухтактный двигатель при одинаковом с четырехтактным двигателем рабочем объеме цилиндров имеет большую мощность, а при одинаковом с ним числе цилиндров — лучшую равномерность хода. Недостаток двухтактный дизельных двигателей состоит в том, что при снижении скорости вращения коленчатого вала процессы выпуска отработавших газов и впуска свежего воздуха у них ухудшаются, поэтому двигатели не могут длитеьно работать при пониженных числах оборотов коленчатого вала.