1. Робочий цикл чотиритактного карбюраторного двигуна
2. такт впуску
3. такт стиснення
4. Такт розширення (робочий хід)
5. такт випуску
6. Робочий цикл чотиритактного дизеля
7. такт впуску
8. такт стиснення
9. Такт розширення (робочий хід)
10. Робочий цикл двотактного двигуна

Робочий цикл чотиритактного карбюраторного двигуна

Робота двигуна внутрішнього згоряння може бути представлена ​​у вигляді систематично повторюваних процесів, які прийнято називати робочими циклами. Робочим циклом двигуна називається ряд послідовних, періодичних повторюваних процесів в циліндрах, в результаті яких теплова енергія палива перетворюється в механічну роботу. При цьому кожний повний робочий цикл може бути розділений на однакові (повторювані) частини - такти.

Частина робочого циклу, що здійснюється за час руху поршня від однієї мертвої точки до іншої, т. Е. За один хід поршня, називається тактом. Двигуни, робочий цикл яких відбувається за чотири ходи поршня (два оберти колінчастого вала), називаються четирехтактнимі.
У голівці блоку циліндрів, над камерою згоряння (рис. 1) карбюраторного двигуна встановлюються впускний 4 і випускний 6 клапани, керовані газорозподільним механізмом, а також свічка запалювання 5.

Робочий цикл карбюраторного чотиритактного двигуна складається з послідовних тактів впуску, стиснення, розширення і випуску.

такт впуску

В результаті обертання колінчастого вала при пуску двигуна (вручну або за допомогою спеціального пристрою - наприклад, заводний рукоятки або електродвигуна - стартера) поршень здійснює рух від верхньої мертвої точки (ВМТ) до нижньої мертвої точки (НМТ). При цьому впускний клапан 4 відкритий, а випускний клапан 6 закритий.
Так як обсяг циліндра при русі поршня вниз (до НМТ) швидко збільшується, тиск над поршнем зменшується до 0,07 ... 0,09 МПа, т. Е. Усередині циліндра створюється вакуум - надмірне розрідження.
Впускний клапан 3 повідомляється зі спеціальним пристроєм - карбюратором, який готує горючу суміш з палива та повітря. Внаслідок різниці тисків в карбюраторі і циліндрі горюча суміш всмоктується через відкритий впускний клапан в циліндр двигуна.

Якщо двигун уже працює, то горюча суміш, потрапляючи в циліндр з карбюратора, змішується з залишковими продуктами згоряння від попереднього циклу, і утворює робочу суміш. Змішуючись із залишковими продуктами згоряння і стикаючись з нагрітими деталями циліндра, робоча суміш нагрівається до температури 75 ... 125 ˚С.

такт стиснення

При підході поршня до НМТ впускний клапан закривається. Далі поршень починає переміщатися вгору (до ВМТ), стискаючи суміш повітря, палива і залишкових продуктів згоряння, які не були видалені з циліндра при випуску. При русі поршня від НМТ до ВМТ внаслідок скорочення обсягу циліндра при закритих клапанах підвищуються тиск, при цьому зростає температура робочої суміші (відповідно до законом Гей-Люссака ).
В кінці такту стиснення тиск всередині циліндра підвищується до 0,9 ... 1,5 МПа, а температура суміші досягає 270-480 ˚С.
У цей момент до електродів свічки запалювання 5 підводиться висока напруга, які викликає між ними іскровий розряд, внаслідок чого робоча суміш запалюється і згорає.
У процесі згоряння палива виділяється велика кількість теплоти, через що температура газів (продуктів згоряння) підвищується до 2200-2500 ˚С, і тиск усередині циліндра досягає 3,0 ... 4,5 МПа. Гази починають розширюватися, переміщаючи поршень вниз, до НМТ.

Такт розширення (робочий хід)

Під тиском розширюються газів поршень рухається від ВМТ до НМТ (при цьому обидва клапана закриті). У цей проміжок часу (такт) відбувається перетворення теплової енергії в корисну роботу, тому хід поршня в такті розширення називають робочим ходом.
При русі поршня до НМТ обсяг циліндра збільшується, внаслідок чого тиск зменшується до 0,3 ... 0,4 МПа, а температура газів знижується до 900 ... 1200 ˚С.

такт випуску

При підході поршня до НМТ відкривається випускний клапан 6, в результаті чого продукти згорання робочої суміші вириваються назовні з циліндра.
При подальшому обертанні колінчастого вала поршень починає переміщатися від НМТ до ВМТ. Виштовхуючи відпрацьовані гази через відкритий випускний клапан, випускний канал 7 і випускну трубу в навколишнє середовище. До кінця такту випуску тиск в циліндрі становить 0,11 ... 0,12 МПа, а температура - 600 ... 900 ˚С.

При підході поршня до ВМТ випускний клапан закривається, впускний відкривається і починається такт впуску, що дає початок новому робочому циклу.

***

Робочий цикл чотиритактного дизеля

Робочий цикл дизельного двигуна принципово відрізняється від циклу карбюраторного двигуна тим, що паливна суміш (суміш палива, повітря і залишкових продуктів згоряння) готується всередині циліндра, оскільки повітря подається в циліндр окремо, а паливо окремо - через форсунку. У дизельному двигуні немає спеціального пристрою для підпалювання робочої суміші - вона самозаймається в результаті високого ступеня стиснення.
Т. е. В дизелі, на відміну від карбюраторного двигуна, через впускний клапан подається не горюча суміш, а атмосферне повітря, а паливо впорскується через форсунку в кінці такту стиснення. У циліндрі, як і в випадку з карбюраторним двигуном, залишаються продукти згоряння робочої суміші, які не вдалося видалити продувкою.
Сумішоутворення (перемішування повітря, палива і залишкових продуктів згоряння) в дизелі протікає всередині циліндра, що й обумовлює основні відмінності низки тактів, що становлять робочий цикл.

Високий ступінь стиснення призводить до того, що надійшов в циліндр через впускний клапан повітря, змішується з залишковими газами і розжарюється (в буквальному сенсі цього слова) до високих температур. І в цей час в циліндр впорскується паливо, яке спалахує і починає горіти.

Робочі процеси в дизельному двигуні протікають в наступній послідовності (рис. 2):

такт впуску

У період такту впуску поршень 2 рухається від НМТ до ВМТ. При цьому впускний клапан 5 відкритий, випускний клапан 6 закритий. У циліндрі 7 через різницю тисків в навколишньому середовищі і в циліндрі наприкінці такту впуску виникає розрідження 0,08 ... 0,09 МПа, при цьому температура всередині циліндра не перевищує 40 ... 70 ˚С.

такт стиснення

У процесі такту стиснення обидва клапана закриті. Поршень 2 рухається від НМТ до ВМТ, стискаючи суміш повітря і відпрацьованих газів. Тиск в кінці такту стиснення досягає 3 ... 6 МПа, а температура - 450 ... 650 ˚С (перевищує температуру самозаймання палива).

При підході поршня до ВМТ, в циліндр через форсунку 3 впорскується розпорошену рідке паливо. Паливо подається до форсунки (через трубку високого тиску) паливним насосом 1 високого тиску (ТНВД). Форсунка забезпечує тонке розпилення палива в стислому повітрі. Розпорошену паливо самозаймається і згорає. В результаті згоряння температура в циліндрі сягає 1600 ... 1900 ˚С, тиск - 6 ... 9 МПа.

Такт розширення (робочий хід)

такт випуску

При підході до нижньої мертвої точки (НМТ) випускний клапан 6 відкривається і велика частина відпрацьованих газів під впливом високого тиску виривається з циліндра в атмосферу. Поршень починає переміщення від НМТ до ВМТ і через відкритий випускний клапан виштовхує залишилися в циліндрі відпрацьовані гази в навколишнє середовище. До кінця такту тиск газів в циліндрі становить 0,11 ... 0,12 МПа, а температура - 600 ... 700 ˚С.
Далі робочий цикл повторюється.

Таким чином, в чотиритактному двигуні тільки один такт - робочий хід є корисним з точки зору здійснення корисної роботи, інші три допоміжні, вони здійснюються за рахунок кінетичної енергії маховика, закріпленого на кінці колінчастого вала.

***

Робочий цикл двотактного двигуна

У двотактних ДВЗ робочий цикл здійснюється за один оборот колінчастого валу.
Схема двотактного дизеля представлена ​​на рис. 3.
Повітря насосом 3 нагнітається через впускний (продувні) вікно 4 в циліндр. У нижній частині циліндра навпаки впускного вікна є випускне вікно 7. У голівці 5 блоку циліндра встановлені форсунки 6.

Перший такт (рис. 3, а) відбувається при русі поршня від НМТ до ВМТ за рахунок кінетичної енергії маховика двигуна. Обидва вікна відкриті. Повітря, що нагнітається через впускний вікно 4 повітря витісняє з циліндра залишилися в ньому відпрацьовані гази, які виходять через випускне вікно 7. Таким чином відбувається очищення циліндра від відпрацьованих газів (продування) і заповнення його свіжим зарядом.

Рухомий вгору поршень 8 спочатку закриває впускний вікно, а потім випускне вікно. З цього моменту починається процес стиснення, в кінці якого через форсунку 6 впорскується паливо.
Таким чином, за першу половину обороти колінчастого валу відбуваються процеси наповнення та стиснення, і починається згоряння палива.

Другий такт (рис. 3. б) відбувається при русі поршня ВМТ до НМТ. В результаті виділення теплоти при згорянні палива підвищується температура і тиск усередині циліндра. Поршень переміщається вниз, здійснюючи корисну роботу.
Як тільки поршень відкриває випускне вікно, відпрацьовані гази під тиском починають виходити в навколишнє середовище. До моменту відкриття впускного вікна тиск всередині циліндра знижується на стільки, що можлива очищення циліндра шляхом витіснення відпрацьованих газів свіжим зарядом повітря, що подається в циліндр насосом 3.
Цей процес називається продувкою циліндра. При цьому одночасно з витісненням відпрацьованих газів відбувається наповнення циліндра свіжим зарядом. Далі всі процеси повторюються в тій же послідовності.

Робочий цикл двотактного карбюраторного двигуна аналогічний робочого циклу двотактного дизеля. Відмінність полягає в тому, що в циліндр надходить не чисте повітря, а горюча суміш, і в кінці процесу стиснення в циліндрі за допомогою свічки запалювання подається іскра, в результаті чого відбувається займання горючої суміші.

Одним з переваг двотактного двигуна в порівнянні з чотиритактним є те, що кожен робочий хід тут протікає в період одного обороту колінчастого валу, а не двох. Очевидно, що зниження кількості тактів має привести до підвищення ККД через зменшення паразитичних процесів. А оскільки в чотиритактному двигуні за два оберти колінчастого вала протікають чотири такту, з яких корисним є лише такт робочого ходу (т. Е. Інші три такту є паразитичними), то природно припустити, що ККД чотиритактного двигуна повинен бути нижче, ніж ККД чотиритактного двигуна .

Істотними недоліками двотактних двигунів є їх низька паливна економічність і менший термін служби в порівнянні з чотиритактними двигунами. Пояснюється цей недолік тим, що під час продування циліндра (або циліндрів) свіжа горюча суміш частково видаляється разом з відпрацьованими газами, оскільки, на відміну від чотиритактного двигуна, випуск і впуск газів протікає одночасно.
Цими недоліками, а також більшою токсичністю відпрацьованих газів пояснюється обмежене застосування двотактних двигунів на автомобілях.

***

багатоциліндрові двигуни