Робочий цикл чотиритактного ДВЗ

Двигун, робочий цикл якого здійснюється за чотири такти, або за два оберти колінчастого валу, називається чотиритактним. Робочий цикл в такому двигуні відбувається таким чином.

Перший такт – впуск (рис. 1.4). На початку першого такту поршень знаходиться в положенні, близькому до ВМТ. Впуск починається з моменту відкриття впускного отвору, за 10–30° до ВМТ.

Камера згорання заповнена продуктами згорання від попереднього процесу, тиск яких дещо більше атмосферного. На індикаторній діаграмі початковому положенню поршня відповідає точка r. При обертанні колінчастого валу (у напрямі стрілки) шатун переміщає поршень до НМТ, а розподільчий механізм повністю відкриває впускний клапан і сполучає надпоршневий простір циліндра двигуна з впускним трубопроводом. У початковий момент впуску клапан тільки починає підніматися, і впускний отвір є круглою вузькою щілиною заввишки в декілька десятих доль міліметра. Тому у цей момент впуску горюча суміш (або повітря) в циліндр майже не проходить. Проте випередження відкриття впускного отвору необхідне для того, щоб до моменту початку опускання поршня після проходу ним ВМТ воно було б відкрите можливо більше і не утрудняло б надходження повітря або суміші в циліндр. В результаті руху поршня до НМТ циліндр заповнюється свіжим зарядом (повітрям або горючою сумішшю). При цьому унаслідок опору впускної системи і впускних клапанів тиск в циліндрі стає на 0,01–0,03 Мпа менше тиску у впускному трубопроводі. На індикаторній діаграмі такту впуску відповідає лінія r_а.

Такт впуску складається з впуску газів за рахунок руху поршня, що опускається з прискоренням, і впуску при уповільненні його руху.

 

Мал. 1.4. Впуск

 

Впуск при прискоренні руху поршня починається у момент початку опускання поршня і закінчується у момент досягнення поршнем максимальної швидкості приблизно при 80° повороту валу після ВМТ. На початку опускання поршня унаслідок малого відкриття впускного отвору в циліндр проходить мало повітря або суміш, а тому залишкові гази, що залишилися в камері згорання від попереднього циклу, розширюються і тиск в циліндрі падає. При опусканні поршня горюча суміш або повітря, що знаходилася у спокої у впускному трубопроводі або що рухалася в нім з невеликою швидкістю, починає проходити в циліндр з швидкістю, що поступово збільшується, заповнюючи об'єм, що звільняється поршнем. У міру опускання поршня його швидкість поступово збільшується і досягає максимуму при повороті колінчастого валу приблизно на 80°. При цьому впускний отвір відкривається все більше і більше і горюча суміш (або повітря) в циліндр проходить у великих кількостях.

Впуск при сповільненому русі поршня починається з моменту досягнення поршнем найбільшої швидкості і закінчується НМТ, коли швидкість його дорівнює нулю. У міру зменшення швидкості поршня швидкість суміші (або повітря), що проходить в циліндр, декілька зменшується, проте в НМТ вона не дорівнює нулю. При сповільненому русі поршня горюча суміш (або повітря) поступає в циліндр за рахунок збільшення об'єму циліндра, що звільняється поршнем, а також за рахунок своєї сили інерції. При цьому тиск в циліндрі поступово підвищується і в НМТ може навіть перевищувати тиск у впускному трубопроводі.

Тиск у впускному трубопроводі може бути близьким до атмосферного в двигунах без наддуву або вище за нього залежно від ступеня наддуву (0.13–0.45 Мпа) в двигунах з наддувом.

Впуску закінчиться у момент закриття впускного отвору (40–60°) після НМТ. Затримка закриття впускного клапана відбувається при поршні, що поступово піднімається, тобто об'ємі газів, що зменшується, в циліндрі. Отже, суміш (або повітря) поступає в циліндр за рахунок раніше створеного розрідження або інерції потоку газу, накопиченого в процесі течії струменя в циліндр.

При малих числах обертів валу, наприклад при пуску двигуна, сила інерції газів у впускному трубопроводі майже повністю відсутня, тому під час затримки впуску йтиме зворотний викид суміші (або повітря), що поступила в циліндр раніше під час основного впуску.

При середніх числах обертів інерція газів більша, тому на самому початку підйому поршня відбувається дозарядка. Проте у міру підйому поршня тиск газів в циліндрі збільшиться і дозарядка, що почалася, може перейти в зворотний викид.

При великих числах обертів сила інерції газів у впускному трубопроводі близька до максимуму, тому відбувається інтенсивна дозарядка циліндра, а зворотний викид не наступає.

Другий такт – стиску. При русі поршня від НМТ до ВМТ (рис. 1.5) проводиться стиск заряду, що поступив в циліндр.

Тиск і температура газів при цьому підвищуються, і при деякому переміщенні поршня від НМТ тиск в циліндрі стає однаковим з тиском впуску (точка т на індикаторній діаграмі). Після закриття клапана при подальшому переміщенні поршня тиск і температура в циліндрі продовжують підвищуватися. Значення тиску в кінці стиску (крапка з) залежатиме від ступеня стиску, герметичності робочої порожнини, тепловіддачі в стінки, а також від величини початкового тиску стиску.

На займання і процес згорання палива як при зовнішньому, так і при внутрішньому смесеобразовании потрібний якийсь час, хоча і дуже незначне. Для якнайкращого використання теплоти, що виділяється при згоранні, необхідно, щоб згорання палива закінчувалося при положенні поршня, можливо близькому до ВМТ. Тому займання робочої суміші від електричної іскри в двигунах із зовнішнім сумішоутвореням і уприскування палива в циліндр двигунів з внутрішнім сумішоутвореням зазвичай проводяться до приходу поршня у ВМТ.

Таким чином, під час другого такту в циліндрі в основному проводиться стиску заряду. Крім того, на початку такту продовжується зарядка циліндра, а в кінці починається згорання палива. На індикаторній діаграмі другому такту відповідає лінія ас.

Рис 1.5. Стиск

Третій такт – згорання і розширення. Третій такт відбувається при ході поршня від ВМТ до НМТ (рис. 1.6). На початку такту інтенсивно згорає паливо, що поступило в циліндр і підготовлене до цього в кінці другого такту.

Унаслідок виділення великої кількості теплоти температура і тиск в циліндрі різко підвищуються, не дивлячись на деяке збільшення усередині циліндрового об'єму (ділянка сz на індикаторній діаграмі).

Під дією тиску відбувається подальше переміщення поршня до НМТ і розширення газів. Під час розширення гази здійснюють корисну роботу, тому третій такт називають також робочим ходом. На індикаторній діаграмі третьому такту відповідає лінія сzb.

 

Рис. 1.6. Розширення

Четвертий такт – випуск. Під час четвертого такту відбувається очищення циліндра від випускних газів (рис. 1.7). Поршень, переміщаючись від НМТ до ВМТ, витісняє гази з циліндра через відкритий випускний клапан. У чотиритактних двигунах відкривають випускний отвір на 40–80° до приходу поршня в НМТ (точка b) і закривають його через 20-40° після проходу поршнем ВМТ. Таким чином, тривалість очищення циліндра від відпрацьованих газів складає в різних двигунах від 240 до 300° кута повороту колінчастого валу.

Процес випуску можна розділити на передування випуску, що відбувається при поршні, що опускається, від моменту відкриття випускного отвору (точка b) до НМТ, тобто протягом 40–80°, і основний випуск, що відбувається при переміщенні поршня від НМТ до закриття випускного отвору, тобто протягом 200–220° повороту колінчастого валу.

Під час передування випуску поршень опускається, і видаляти з циліндра відпрацьовані гази не може.

Проте на початку передування випуску тиск в циліндрі значно вищий, ніж у випускному колекторі.

Тому відпрацьовані гази за рахунок власного надмірного тиску з критичними швидкостями викидаються з циліндра. Закінчення газів з такими великими швидкостями супроводиться звуковим ефектом, для поглинання якого встановлюють глушники.

Критична швидкість закінчення відпрацьованих газів при температурах 800 –1200С⁰ складає 500–600 м/сек.

При підході поршня до НМТ тиск і температура газів у циліндрі знижуються, і швидкість закінчення відпрацьованих газів падає.

Коли поршень підійде до НМТ, тиск в циліндрі знизиться. При цьому критичне закінчення закінчиться і почнеться основний випуск.

Закінчення газів під час основного випуску відбувається з меншими швидкостями, що досягають в кінці випуску 60–160 м/сек.

Таким чином, передування випуску менш тривало, швидкості газів дуже великі, а основний випуск приблизно в три рази продолжительнее, але гази в цей час виводять з циліндра з меншими швидкостями.

Тому кількості газів, що виходять з циліндра під час передування випуску і основного випуску, приблизно однакові.

У міру зменшення частоти обертання двигуна зменшується весь тиск циклу, а отже, і тиску у момент відкриття випускного отвору. Тому при середніх частотах обертання скорочується, а при деяких режимах (при рисих обертах) абсолютно пропадає закінчення газів з критичними швидкостями, характерними для передування випуску.

 

Рис. 1.7. Випуск

Температура газів в трубопроводі по куту повороту кривошипа міняється від максимальної на початку випуску до мінімальної в кінці. Передування відкриття випускного отвору декілька зменшує корисну площу індикаторної діаграми. Проте пізніше відкриття цього отвору викличе затримку газів з високим тиском в циліндрі і на їх видалення при переміщенні поршня доведеться витратити додаткову роботу.

Невелика затримка закриття випускного отвору створює можливість використання інерції випускних газів, що раніше вийшли з циліндра, для кращого очищення циліндра від згорілих газів. Не дивлячись на це, частина продуктів згорання неминуче залишається в головці циліндра, переходячи від кожного даного циклу до подальшого у вигляді залишкових газів. На індикаторній діаграмі четвертому такту відповідає лінія zb.

Четвертим тактом закінчується робочий цикл. При подальшому русі поршня в тій же послідовності повторюються всі процеси циклу.

Тільки такт згорання і розширення є робочим, решта трьох такту здійснюється за рахунок кінетичної енергії колінчастого валу з маховиком, що обертається, і роботи інших циліндрів.

Чим повніше буде очищений циліндр від випускних газів і чим більше поступить в нього свіжого заряду, тим більше, отже, можна буде отримати корисної роботи за цикл.

Для поліпшення очищення і наповнення циліндра випускний клапан закривається не в кінці такту випуску (ВМТ), а декілька пізніше (при повороті колінчастого валу на 5–30° після ВМТ), тобто на початку першого такту. З цієї ж причини і впускний клапан відкривається з деяким випередженням (за 10–30° до ВМТ, тобто в кінці четвертого такту). Таким чином, в кінці четвертого такту протягом деякого періоду можуть бути відкриті обидва клапани. Таке положення клапанів називається перекриттям клапанів. Воно сприяє поліпшенню наповнення в результаті ежектуючої дії потоку газів у випускному трубопроводі.

З розгляду чотиритактного циклу роботи виходить, що чотиритактний двигун тільки половину часу, витраченого на цикл, працює як тепловий двигун (такти стиску і розширення). Другу половину часу (такти впуску і випуску) двигун працює як повітряний насос.