Рабочие циклы четырехтактных двигателей и показатели их работы. Двигатель рабочие циклы


Принцип работы ДВС. Рабочие циклы двигателя (Изучаем вместе) — DRIVE2

На автомобилях устанавливают поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри цилиндра. В основу их действия положено свойство газов расширяться при нагревании. Рассмотрим принцип устройства и работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а также его рабочие циклы.

🔧 Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.

Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

• Принцип работы ДВС (для просмотра нажмите на кнопку иллюстрации — Фото 2-5

Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней и нижней «мертвыми» точками (ВМТ и НМТ). Подробнее в статье "как устроены бензиновые и дизельные двигатели".

Впуск. По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.

Сжатие. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.

Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.

При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 — 0.75 МПа, а температура до 950 — 1200оС.

Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.

🔧 Рабочий цикл четырехтактного дизеля

В отличие от бензинового двигателя, при такте "впуск" в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта "сжатие" воздух нагревается до 600оС. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Впуск. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60°С.

Сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.

Расширение или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 — 9 МПа, а температура 1800 — 2000°С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ — происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900оС.

Выпуск. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700оС. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

🔧 Принцип работы многоцилиндровых двигателей

На автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени).

Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Это означает, что после рабочего хода в первом цилиндре следующий рабочий ход происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.

• Диаграмма работы двигателя по схеме 1-2-4-3 Фото 6

Многоцилиндровые двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях цилиндры расположены вертикально, а в V-образных — под углом. Последние характеризуются меньшей габаритной длиной по сравнению с первыми. Современные восьмицилиндровые двигатели выполняют двухрядными с V-образным расположением цилиндров.

www.drive2.ru

Рабочие циклы четырехтактных двигателей и показатели их работы

 

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу.

Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным. В настоящее время двухтактные двигатели на военной автомобильной технике не применяют, а используют лишь на мотоциклах и как пусковые двигатели на тракторных дизелях. Это связано, прежде всего, с тем, что они имеют сравнительно большой расход топлива и недостаточное наполнение горючей смесью из-за плохой очистки цилиндров от отработавших газов.

На военной автомобильной технике применяются двигатели, работающие по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

В четырехтактном дизеле (рисунок 2.2) рабочие процессы происходят следующим образом.

Такт впуска (рисунок 2.2, а). При движении поршня 2 от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разрежения из воздухоочистителя 4 в полость цилиндра 7 через открытый впускной клапан 5 поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0,08-0,095 МПА, а температура 40-60 °С.

 

 

Рисунок 2.2 - Рабочий цикл четырехтактного дизеля

 

Такт сжатия (рисунок 2.2, б). Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной 5 и выпускной 6 клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень 2 сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. Из-за высокой степени сжатия температура воздуха достигает 550-700°С при давлении воздуха внутри цилиндра 4,0-5,0 МПа.

Такт расширения, или рабочий ход (рисунок 2.2, в). При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку 3 впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом высокого давления 1. Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6-9 МПа, а температура – 1800-2000 °С. Под действием давления газов поршень 2 перемещается от ВМТ к НМТ. Происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0,3-0,5 МПа, а температура – до 700-900 °С.

Такт выпуска (рисунок 2.2, г). Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан 6 отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газа снижается до 0,11-0,12 МПа, а температура – до 500-700 °С. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

Рабочие циклы четырехтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно отличаются по способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Основное отличие состоит в том, что в цилиндр карбюраторного двигателя при такте впуска поступает не воздух, а горючая смесь, приготовленная в карбюраторе, которая в конце такта сжатия воспламеняется от электрической искры системы зажигания. В карбюраторном четырехтактном одноцилиндровом двигателе (рисунок 2.4) рабочий цикл происходит следующим образом.

Такт впуска (рисунок 2.3, а). Поршень 1 находится в ВМТ и по мере вращения коленчатого вала 9 (за один его полуоборот) перемещается от ВМТ к НМТ. При этом впускной клапан 4 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт. При движении поршня вниз объем над ним увеличивается, поэтому в цилиндре 2 образуется разрежение, равное 0,07-0,095 МПа, в результате чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной трубопровод 3 в цилиндр. От соприкосновения свежего заряда с нагретыми деталями в конце такта впуска он имеет температуру 75-125 °С.

 

 

Рисунок 2.3 - Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового

карбюраторного двигателя

 

Степень заполнения цилиндра свежим зарядом характеризуется коэффициентом наполнения, который для высокооборотистых карбюраторных двигателей находится в пределах 0,65-0,75. Чем выше коэффициент наполнения, тем большую мощность развивает двигатель.

Такт сжатия (рисунок 2.3, б). После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Впускной клапан 4 закрывается, а выпускной 6 – остается закрытым. По мере сжатия горючей смеси температура и давление ее повышаются. В зависимости от конструкции двигателя давление в конце такта сжатия может составлять 0,8-1,5 МПа, а температура газов 300-450 °С.

Такт расширения, или рабочий ход (рисунок 2.3, в). В конце такта сжатия горючая смесь воспламеняется от электрической искры, возникающей между электродами свечи 5, и быстро сгорает, в результате чего температура и давление образующихся газов резко возрастают, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. Максимальное давление газов на поршень при сгорании для карбюраторных двигателей находится в пределах 3,5-5 МПа, а температура газов 2100-2400 °С.

При такте расширения шарнирно связанный с поршнем шатун 8 совершает сложное движение и через кривошип передает вращение коленчатому валу. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня давление в цилиндре снижается до 0,3-0,75 МПа, а температура – до 900-1200 °С.

Такт выпуска (рисунок 2.3, г). Коленчатый вал 9 через шатун перемещает поршень от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан 6 открыт и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной трубо-провод 7. В начале процесса выпуска продуктов сгорания давление в цилиндре значительно выше атмосферного, но к концу такта оно падает до 0,105-0,120 МПа, а температура газов в начале такта выпуска составляет 750-900 °С, понижаясь к его концу до 500-600 °С. Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемешивается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью.

Коэффициент остаточных газов характеризует степень загрязнения свежего заряда отработавшими газами и представляет собой отношение массы продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре, к массе свежей горючей смеси. Для современных карбюраторных двигателей коэффициент остаточных газов находится в пределах 0,06-0,12.

 

Похожие статьи:

poznayka.org

Рабочий цикл двигателя | Двигатель автомобиля

Рабочий цикл — это строгая последовательность рабочих процессов (тактов), периодически повторяющихся в каждом цилиндре. Каждый такт соответствует одно проходу поршня.

Рабочий цикл дизеля может совершаться как за четыре такта (за два оборота коленчатого вала), так и за два такта (за один оборот коленчатого вала). В первом случае дизель называется четырехтактным, во втором — двухтактным.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля состоит из тех же тактов, что и рабочий цикл карбюраторного двигателя. Однако происходящие во время этих тактов процессы внутри цилиндров у карбюраторного двигателя и дизеля не одинаковы.

Во время такта впуска в цилиндр дизеля всасывается не горючая смесь, а воздух. Во время такта сжатия поступивший в цилиндр воздух сильно сжимается и вследствие этого нагревается до 500—700° С. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается под большим давлением в мелкораспыленном состоянии топливо, которое, соприкасаясь с раскаленным воздухом, воспламеняется и быстро сгорает, образуя большое количество газов и выделяя тепло.

Во время такта расширения под давлением газов поршень перемещается. Процессы при этом такте, а также при такте выпуска аналогичны процессам, происходящим в четырехтактном карбюраторном двигателе.

Таким образом, в любом четырехтактном двигателе только один такт рабочий, а остальные три — вспомогательные.

Рабочий цикл двухтактного дизеля существенно отличается от рабочего цикла четырехтактного: он совершается не за два, за один оборот коленчатого вала и состоит только из двух тактов.

Рис. Основные процессы, происходящие в цилиндрах двухтактного дизеля: а — продувка; б — сжатие; в — рабочий ход; г — выпуск отработавших газов; 1 — поршень; 2 — нагнетатель; 3 — выпускной клапан; 4 — продувочные окна; 5 — ресивер блока; 6 — коленчатый вал; 7 — насос-форсунка

Первый такт (рис. а и б) происходит при перемещении поршня от нижней мертвой точки к верхней. Когда поршень 1 находится в нижней мертвой точке, свежий воздух под небольшим давлением поступает из нагнетателя 2 через ресивер 5 блока и продувочные окна 4 в цилиндр, вытесняя при этом остатки отработавших газов через открытый выпускной клапан 3. Когда поршень, перемещаясь вверх, перекрывает продувочные окна, а выпускной клапан закрывается, продувка цилиндра заканчивается. При дальнейшем перемещении поршня воздух в цилиндре сильно сжимается и нагревается. Когда поршень приближается к верхней мертвой точке, в цилиндр через насос-форсунку 7 впрыскивается под большим давлением топливо.

Второй такт (рис. в и г). Мелкораспыленное топливо, соприкасаясь с раскаленным воздухом, сгорает; при этом выделяется большое количество тепла, температура и давление газов резко возрастают. Под действием давления газов поршень перемещается от верхней мертвой точки к нижней, вращая коленчатый вал.

Когда поршень приближается к продувочным окнам, открывается выпускной клапан и значительная часть отработавших газов вследствие большого избыточного давления выходит из цилиндра. При дальнейшем движении поршня открываются продувочные окна, в цилиндр начинает поступать из ресивера блока чистый воздух, вытесняя через открытый выпускной клапан остатки отработавших газов.

Рабочий цикл на этом завершается.

Таким образом, в двухтактном двигателе, и это является его особенностью, рабочий ход поршня совершается при. каждом обороте коленчатого вала.

ustroistvo-avtomobilya.ru

Рабочий цикл и основные определения и параметры двигателя

 

содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

 

 

5.

Рабочий цикл и основные определения и параметры двигателя

 

            Рабочий цикл – комплекс рабочих (неповторяющихся процессов: впуск; сжатие; рабочий ход; выпуск), протекающих внутри  цилиндра поршневого двигателя и обеспечивающий его автономную работу.

Рассмотрим основные параметры двигателя, связанные с его работой (рис. 3.2).

            Верхняя мертвая точка (ВМТ) — крайнее верхнее положение поршня. В этой точке поршень наиболее удален от оси коленчатого вала.

            Нижняя мертвая точка (НМТ) — крайнее нижнее положение поршня. Поршень наиболее приближен к оси коленчатого вала. В мертвых точках поршень меняет направление движения и его скорость равна нулю.

Ход поршня (S) — расстояние между мертвыми точками, прохо­димое поршнем в течение одного такта рабочего цикла двигателя.

 

Рис. 3.2. Основные параметры двигателя

Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на угол 180° (пол-оборота).

            Такт — часть рабочего цикла двигателя, происходящего при движении поршня из одного крайнего положения в другое.

            Рабочий объем цилиндра (Vh) — объем, освобождаемый поршнем при его перемещении от ВМТ до НМТ.

Объем камеры сгорания (Vc) — объем пространства над поршнем, находящимся в ВМТ.

            Полный объем цилиндра (Va) — объем пространства над поршнем, находящимся в НМТ:

Va = Vh + Vc.

            Рабочий объем (литраж) двигателя — сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя, выраженная в литрах (может даваться в см3).

            Степень сжатия (ε) — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания, т.е.

 

Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается смесь в цилиндре двигателя при ходе поршня из НМТ в ВМТ. При повышении степени сжатия увеличивается мощность двигателя и улучшается его экономичность. Однако повышение степени сжатия ограничено качеством при­меняемого топлива и увеличивает нагрузки на детали двигателя. Степень сжатия для бензиновых двигателей современных ле­гковых автомобилей составляет 8— 10, а для дизелей 15 — 22. При таких степенях сжатия в бензиновых двигателях не происходит самовоспламенения смеси, а в дизелях, наоборот, обеспе­чивается самовоспламенение смеси.

Ход поршня S и диаметр цилиндра D определяют размеры двигателя. Если отношение S/D < 1, то двигатель является короткоходным. Большинство двигателей легковых автомобилей короткоходные.

            Рабочий цикл поршневых двигателей состоит из тактов впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска и происходит за четыре хода поршня или за два оборота коленчатого вала.

            6. Рабочий цикл четырехтактных бензиновых и дизельных двигателей.

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

 

 

 

zinref.ru

Рабочие циклы карбюраторного и дизельного двигателя |

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя

Работа двигателя внутреннего сгорания может быть представлена в виде систематически повторяющихся процессов, которые принято называть рабочими циклами. Рабочим циклом двигателя называется ряд последовательных, периодических повторяющихся процессов в цилиндрах, в результате которых тепловая энергия топлива преобразуется в механическую работу. При этом каждый полный рабочий цикл может быть разделен на одинаковые (повторяющиеся) части – такты.

Часть рабочего цикла, совершаемого за время движения поршня от одной мертвой точки до другой, т. е. за один ход поршня, называется тактом . Двигатели, рабочий цикл которых совершается за четыре хода поршня (два оборота коленчатого вала), называются четырехтактными.

В головке блока цилиндров, над камерой сгорания (рис. 1) карбюраторного двигателя устанавливаются впускной 4 и выпускной 6 клапаны, управляемые газораспределительным механизмом, а также свеча зажигания 5.

Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя состоит из последовательных тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

В результате вращения коленчатого вала при пуске двигателя (вручную или с помощью специального устройства — например, заводной рукоятки или электродвигателя — стартера) поршень совершает движение от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ). При этом впускной клапан 4 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт.

Так как объем цилиндра при движении поршня вниз (к НМТ) быстро увеличивается, давление над поршнем уменьшается до 0,07. 0,09 МПа, т. е. внутри цилиндра создается вакуум – избыточное разрежение.

Впускной клапан 3 сообщается со специальным устройством – карбюратором, который приготавливает горючую смесь из топлива и воздуха. Вследствие разности давлений в карбюраторе и цилиндре горючая смесь всасывается через открытый впускной клапан в цилиндр двигателя.

Если двигатель уже работает, то горючая смесь, попадая в цилиндр из карбюратора, смешивается с остаточными продуктами сгорания от предыдущего цикла, и образует рабочую смесь. Смешиваясь с остаточными продуктами сгорания и соприкасаясь с нагретыми деталями цилиндра, рабочая смесь нагревается до температуры 75. 125 ˚С.

При подходе поршня к НМТ впускной клапан закрывается. Далее поршень начинает перемещаться вверх (к ВМТ), сжимая смесь воздуха, топлива и остаточных продуктов сгорания, которые не были удалены из цилиндра при выпуске. При движении поршня от НМТ к ВМТ вследствие сокращения объема цилиндра при закрытых клапанах повышаются давление, при этом возрастает температура рабочей смеси (в соответствии с законом Гей-Люссака).

В конце такта сжатия давление внутри цилиндра повышается до 0,9…1,5 МПа, а температура смеси достигает 270-480 ˚С.

В этот момент к электродам свечи зажигания 5 подводится высокое напряжение, которые вызывает между ними искровой разряд, результате чего рабочая смесь воспламеняется и сгорает.

В процессе сгорания топлива выделяется большое количество теплоты, из-за чего температура газов (продуктов сгорания) повышается до 2200-2500 ˚С, и давление внутри цилиндра достигает 3,0…4,5 МПа. Газы начинают расширяться, перемещая поршень вниз, к НМТ.

Под давлением расширяющихся газов поршень движется от ВМТ к НМТ (при этом оба клапана закрыты). В этот промежуток времени (такт) происходит преобразование тепловой энергии в полезную работу, поэтому ход поршня в такте расширения называют рабочим ходом.

При движении поршня к НМТ объем цилиндра увеличивается, вследствие чего давление уменьшается до 0,3…0,4 МПа, а температура газов снижается до 900…1200 ˚С.

При подходе поршня к НМТ открывается выпускной клапан 6, в результате чего продукты сгорания рабочей смеси вырываются наружу из цилиндра.

При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень начинает перемещаться от НМТ к ВМТ. Выталкивая отработавшие газы через открытый выпускной клапан, выпускной канал 7 и выпускную трубу в окружающую среду. К концу такта выпуска давление в цилиндре составляет 0,11…0,12 МПа, а температура – 600…900 ˚С.

При подходе поршня к ВМТ выпускной клапан закрывается, впускной открывается и начинается такт впуска, дающий начало новому рабочему циклу.

Рабочий цикл дизельного двигателя принципиально отличается от цикла карбюраторного двигателя тем, что рабочая смесь (смесь топлива, воздуха и остаточных продуктов сгорания) приготовляется внутри цилиндра, поскольку воздух подается в цилиндр отдельно, а топливо отдельно – через форсунку. В дизельном двигателе нет специального устройства для поджигания рабочей смеси – она самовозгорается в результате высокой степени сжатия.

Т. е. в дизеле, в отличие от карбюраторного двигателя, через впускной клапан подается не горючая смесь, а атмосферный воздух, а топливо впрыскивается через форсунку в конце такта сжатия. В цилиндре, как и в случае с карбюраторным двигателем, остаются продукты сгорания рабочей смеси, которые не удалось удалить продувкой.

Смесеобразование (перемешивание воздуха, топлива и остаточных продуктов сгорания) в дизеле протекает внутри цилиндра, что и обуславливает основные отличия череды тактов, составляющих рабочий цикл.

Высокая степень сжатия приводит к тому, что поступивший в цилиндр через впускной клапан воздух, смешивается с остаточными газами и раскаляется (в буквальном смысле этого слова) до высоких температур. И в это время в цилиндр впрыскивается топливо, которое вспыхивает и начинает гореть.

Рабочие процессы в дизельном двигателе протекают в следующей последовательности (рис. 2) :

В период такта впуска поршень 2 движется от НМТ к ВМТ. При этом впускной клапан 5 открыт, выпускной клапан 6 закрыт. В цилиндре 7 из-за разности давлений в окружающей среде и в цилиндре в конце такта впуска возникает разрежение 0,08. 0,09 МПа, при этом температура внутри цилиндра не превышает 40…70 ˚С.

В процессе такта сжатия оба клапана закрыты. Поршень 2 движется от НМТ к ВМТ, сжимая смесь воздуха и отработавших газов. Давление в конце такта сжатия достигает 3…6 МПа, а температура – 450…650 ˚С (превышает температуру самовоспламенения топлива).

При подходе поршня к ВМТ, в цилиндр через форсунку 3 впрыскивается распыленное жидкое топливо. Топливо подается к форсунке (через трубку высокого давления) топливным насосом 1 высокого давления (ТНВД). Форсунка обеспечивает тонкое распыление топлива в сжатом воздухе. Распыленное топливо самовоспламеняется и сгорает. В результате сгорания температура в цилиндре достигает 1600…1900 ˚С, давление – 6…9 МПа.

Топливо, не успевшее сгореть в конце такта сжатия, догорает в начале такта расширения. К концу рабочего хода давление газов уменьшается до 0,2…0,4 МПа, а температура снижается до 700…900 ˚С.

При подходе к нижней мертвой точке (НМТ) выпускной клапан 6 открывается и большая часть отработавших газов под воздействием высокого давления вырывается из цилиндра в атмосферу. Поршень начинает перемещение от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан выталкивает оставшиеся в цилиндре отработавшие газы в окружающую среду. К концу такта давление газов в цилиндре составляет 0,11…0,12 МПа, а температура – 600. 700 ˚С.

Далее рабочий цикл повторяется.

Таким образом, в четырехтактном двигателе только один такт – рабочий ход является полезным с точки зрения совершения полезной работы, остальные три вспомогательные, они осуществляются за счет кинетической энергии маховика, закрепленного на конце коленчатого вала.

В двухтактных ДВС рабочий цикл осуществляется за один оборот коленчатого вала.

Схема двухтактного дизеля представлена на рис. 3 .

Воздух насосом 3 нагнетается через впускное (продувочное) окно 4 в цилиндр. В нижней части цилиндра напротив впускного окна имеется выпускное окно 7. В головке 5 блока цилиндра установлены форсунки 6.

Первый такт (рис. 3, а) совершается при движении поршня от НМТ к ВМТ за счет кинетической энергии маховика двигателя. Оба окна открыты. Нагнетаемый через впускное окно 4 воздух вытесняет из цилиндра оставшиеся в нем отработавшие газы, которые выходят через выпускное окно 7. Таким образом происходит очистка цилиндра от отработавших газов (продувка) и заполнение его свежим зарядом.

Движущийся вверх поршень 8 сначала закрывает впускное окно, а затем выпускное окно. С этого момента начинается процесс сжатия, в конце которого через форсунку 6 впрыскивается топливо.

Таким образом, за первую половину оборота коленчатого вала совершается процессы наполнения и сжатия, и начинается сгорание топлива.

Второй такт (рис. 3. б) происходит при движении поршня ВМТ к НМТ. В результате выделения теплоты при сгорании топлива повышается температура и давление внутри цилиндра. Поршень перемещается вниз, совершая полезную работу.

Как только поршень открывает выпускное окно, отработавшие газы под давлением начинают выходить в окружающую среду. К моменту открытия впускного окна давление внутри цилиндра снижается на столько, что возможна очистка цилиндра путем вытеснения отработавших газов свежим зарядом воздуха, подаваемым в цилиндр насосом 3.

Этот процесс называется продувкой цилиндра. При этом одновременно с вытеснением отработавших газов происходит наполнение цилиндра свежим зарядом. Далее все процессы повторяются в той же последовательности.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя аналогичен рабочему циклу двухтактного дизеля. Отличие состоит в том, что в цилиндр поступает не чистый воздух, а горючая смесь, и в конце процесса сжатия в цилиндре посредством свечи зажигания подается искра, в результате чего происходит воспламенение горючей смеси.

Одним из преимуществ двухтактного двигателя по сравнению с четырехтактным является то, что каждый рабочий ход здесь протекает в период одного оборота коленчатого вала, а не двух. Очевидно, что снижение количества тактов должно привести к повышению КПД из-за уменьшения паразитических процессов . А поскольку в четырехтактном двигателе за два оборота коленчатого вала протекают четыре такта, из которых полезным является лишь такт рабочего хода (т. е. остальные три такта являются паразитическими), то естественно предположить, что КПД четырехтактного двигателя должен быть ниже, чем КПД четырехтактного двигателя.

Существенными недостатками двухтактных двигателей является их низкая топливная экономичность и меньший срок службы по сравнению с четырёхтактными двигателями. Объясняется этот недостаток тем, что при продувке цилиндра (или цилиндров) свежая горючая смесь частично удаляется вместе с отработавшими газами, поскольку, в отличие от четырехтактного двигателя, выпуск и впуск газов протекает одновременно.

Этими недостатками, а также большей токсичностью отработавших газов объясняется ограниченное применение двухтактных двигателей на автомобилях.

argi.su

Рабочие циклы двигателей

КОНСТРУКЦИЯ И РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

ТРАНСПОРТНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН

(нефтегазодобыча)

 

 

Учебное пособие

 

Омск

Издательство ОмГТУ

 

 

УДК 621.86:622.276(075)

ББК 30.8я73

С65

 

 

Рецензенты:

Н.С. Галдин,

 

Г.В. Редреев

 

 

Сорокин В.Н.

С65 Конструкция и рабочие процессы энергетических установок транспортных и технологических машин (нефтегазодобыча): учеб. пособие / В.Н. Сорокин; Минобрнауки России, ОмГТУ, 2015. - с.: ил.

ISBN

 

 

В краткой форме изложена конструкция и работа систем и агрегатов ДВС энергетических установок транспортных и технологических машин и оборудования.

Учебное пособие предназначено студентам направления 190600.62 "Эксплуатация транспортно - технологических машин и комплексов (нефтегазодобыча)"

 

УДК 621.86:622.276(075)

ББК 30.8я73

 

 

ISBN ОмГТУ, 2015

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Основным агрегатом любой транспортной или технологической машины является двигатель. Ввиду особой специфики работы нефтегазодобывающих предприятий в технологических процессах, которые они реализуют, значительную долю занимают энергетические установки с двигателями внутреннего сгорания.

Одной из важнейших задач стоящих перед технологическим транспортом и энергетическими установками, является повышение их эксплуатационной надежности. Решение этой проблемы, с одной стороны, обеспечивается промышленностью за счет выпуска машин с высокой надежностью и технологичностью, с другой стороны - совершенствованием методов технической эксплуатации, которая невозможна без глубоких знаний устройства и принципов работы узлов, агрегатов и машины в целом.

 

Основы работы и конструкции двигателя

Основные понятия и определения

 

Классификация двигателей.

На современных сельскохозяйственных тракторах и автомобилях установлены поршневые двигатели внутреннего сгорания. Двигателем внутреннего сгорания называют машину, в которой сгорание топлива и преобразование его тепловой энергии в механическую происходит внутри цилиндра. Эти двигатели классифицируют по следующим основным признакам:

а) по способу смесеобразования: с внешним смесеобразованием — карбюраторные и газовые; с внутренним смесеобразованием — дизельные;

б) по способу воспламенения горючей смеси: с принудительным воспламенением от электрической искры — карбюраторные и газовые; с воспламенением от сжатия — дизельные двигатели;

в) по числу тактов рабочего цикла — четырехтактные и двухтактные;

г) по виду применяемого топлива — бензиновые, газовые, дизельные;

д) по способу охлаждения — с жидким и воздушным охлаждением;

е) по числу цилиндров — одноцилиндровые и много цилиндровые (двух -,

четырех-, шести-, восьми -, двенадцатицилиндровые.

ж) по расположению цилиндров — однорядные и двухрядные или У-образные (два ряда цилиндров расположены под углом друг к другу), оппозитные (угол развала 1800).

 

Основные понятия.

 

Для сгорания топлива необходим кислород, поэтому топливо смешивают с воздухом. Смесь, состоящую из распыленного топлива с воздухом в определенной весовой пропорции, называют горючей смесью. Последняя в цилиндре работающего двигателя перемешивается с остаточными газами, образуя рабочую смесь.

Если в двигателях топливо с воздухом смешивается в специальном приборе — карбюраторе, то такие двигатели называют карбюраторными. Горючая смесь в них воспламеняется от электрической искры. В дизельных двигателях горючая смесь образуется внутри цилиндра и самовоспламеняется от теплоты сжатого воздуха. Карбюраторные двигатели

устанавливают главным образом на автомобилях малой и средней грузоподъемности, а также на тракторах для пуска основных двигателей. В качестве основных двигателей на современных тракторах и автомобилях большой грузоподъемности применяют дизельные двигатели, или дизели.

Принцип работы дизельного двигателя рассмотрим на примере упрощенной схемы (рис. 6).

Рис. 6(1). Схема дизельного одноцилиндрового двигателя:

1 - головка цилиндра, 2 - коромысло, 3 - форсунка, 4 - выпускной клапан, 5 - впускной клапан, 6 - цилиндр, 7 - поршень, 8 - поршневой палец, 9 - шатун, 10 - маховик, 11 - картер, 12 - коленчатый вал, 13 - шестерня привода распределительного вала, 14 - распределительный вал, 15 - топливный насос, 16 - передаточные детали, 17 - воздухоочиститель

 

В цилиндре 6 помещен поршень 7. Поршень шатуном 9 соединен с коленчатым валом 12. Если поршень перемещать в цилиндре вверх и вниз, то прямолинейное движение его преобразуется через шатун и кривошип во вращательное движение коленчатого вала. На конце коленчатого вала закреплен маховик 10, он необходим для равномерности вращения вала при работе двигателя. Цилиндр плотно закрыт сверху головкой 1. В головке цилиндра имеются два клапана. Впускной клапан 5 открывает отверстие канала для впуска воздуха в цилиндр. Выпускной клапан 4 открывает отверстие для выпуска отработавших газов. Клапаны закрываются клапанными пружинами, а открываются с помощью коромысел 2, перемещаемых через передаточные детали 16 распределительным (кулачковым) валом 14. Распределительный вал и вал топливного насоса (у дизельного двигателя) приводятся во вращение шестернями 13 от коленчатого вала. У дизельного двигателя топливо в цилиндр поступает через форсунку 3 от топливного насоса.

На рис. 6 рассмотрена схема дизельного одноцилиндрового двигателя. Карбюраторный двигатель отличается от дизельного тем, что через впускной канал закрываемый клапаном 5 в цилиндр засасывается горючая смесь, а вместо форсунки 3 в головке цилиндра установлена свеча зажигания.

 

Основные определения.

 

Поршень, свободно перемещаясь в цилиндре, занимает два крайних положения (рис. 7). Крайнее верхнее положение поршня называют верхней мертвой точкой (ВМТ), а крайнее нижнее — нижней мертвой точкой (НМТ). Расстояние, пройденное поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня. За один ход поршня коленчатый вал повернется на пол-оборота.

 

Рис. 7(2). Положения поршня в мертвых точках: а - верхнее, б - нижнее

 

Пространство между головкой цилиндра и поршнем, расположенным верхней мертвой точке, называют камерой сгорания, или камерой сжатия. Пространство, освобождаемое поршнем при перемещении его из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку, называют рабочим объемом цилиндра (V):

,

где — диаметр цилиндра, дм;

— ход поршня, дм.

Объем цилиндра измеряется в литрах. Рабочий объем всех цилиндров двигателя называют литражом. При малых объемах (до 1л) он выражается в кубических сантиметрах, а при больших объемах — в литрах.

Объем камеры сгорания и рабочий объем в сумме составляют полный объем цилиндра. Число, показывающее, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания, называют степенью сжатия. В современных карбюраторных двигателях степень сжатия колеблется в пределах 6 — 9, а в дизельных достигает 15—20.

При работе двигателя в его цилиндре происходит рад процессов. Вначале цилиндр заполняется горючей смесью или воздухом. Затем горючая смесь или воздух сжимаются. После воспламенения смесь топлива с воздухом сгорает, и образовавшиеся газы расширяются, давят на поршень, перемещают его, производя механическую работу. Затем отработавшие газы выходят из цилиндра. Перечисленные процессы, повторяющиеся в определенной последовательности, составляют рабочий цикл двигателя.

 

Рабочие циклы двигателей

 

Процесс (часть цикла), который происходит в цилиндре за один ход поршня, называют тактом. Двигатель, у которого рабочий цикл происходит за четыре хода поршня, называется четырехтактным.

Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя.

Рассмотрим, что происходит в одном из цилиндров работающего двигателя

1-й такт — впуск (рис. 8, а). Поршень перемещается с помощью шатуна коленчатым валом вниз и, действуя подобно насосу, создает разрежение в цилиндре. Через открытый впускной клапан цилиндр заполняется чистым воздухом под влиянием разности давлений Выпускной клапан закрыт. В конце такта впускной клапан закрывается.

В начале работы двигателя коленчатый вал приводят во вращение посторонним источником энергии, например электрическим стартером или пусковым двигателем. В конце такта впуска давление в цилиндре в среднем составляет 0,08— 0,095 МПа, а температура 30—50°С.

2-й такт—сжатие (рис. 8, б). Поршень, продолжая движение, с помощью

коленчатого вала, перемещается вверх. Поскольку оба клапана закрыты, поршень сжимает воздух. Температура воздуха при сжатии повышается Благодаря высокой степени сжатия в дизельном двигателе давление в цилиндре повышается до 4 МПа, а воздух нагревается до температуры 600°С. В конце такта сжатия через форсунку в цилиндр впрыскивается порция дизельного топлива в мелкораспыленном состоянии.

3-й такт — рабочим ход, или расширение (рис: 8, в). Мелкие частицу топлива, соприкасаясь с нагретым сжатым воздухом, самовоспламеняются Подача топлива через форсунку и горение его продолжается некоторое время после того, как поршень пройдет ВМТ. Благодаря задержке самовоспламенения топливо в основном сгорает во время этого такта. Оба клапана при рабочем ходе закрыты. Температура газов при сгорании достигает 2000°С, давление повышается до 8 МПа. Под большим давлением расширяющихся газов поршень перемещается вниз и передает воспринимаемое им усилие через шатун на коленчатый вал, заставляя его производить механическую работу.

 

 

Рис. 8(3). Схема работы одноцилиндрового двигателя: а - первый такт (впуск), б - второй такт (сжатие), в - третий такт (рабочий ход), г - четвертый такт (выпуск)

 

4-й такт—выпуск (рис. 8, г). Поршень перемещается вверх, а выпускной

клапан открывается Отработавшие газы сначала под действием избыточного давления, а затем поршня удаляются из цилиндра. После перехода поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, а впускной клапан открывается, и рабочий цикл повторяется.

 

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя.

В отличие от дизельного у карбюраторного двигателя воздух и топливо поступают в цилиндр одновременно в виде горючей смеси, приготовленной карбюратором.

Каждый из тактов четырехтактного карбюраторного двигателя, так же как и дизельного, характеризуется положением клапанов и направлением движения поршня. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя протекает следующим образом.

Впуск — поршень перемещается в вниз. Впускной клапан открыт. Вследствие разрежения внутрь цилиндра через впускной канал поступает горючая смесь, которая перемешивается с остаточными газами, в результате чего образуется рабочая смесь.

Сжатие — поршень движется вверх. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Объем над поршнем уменьшается, и рабочая смесь сжимается, благодаря чему улучшается испарение и перемешивание паров бензина с воздухом. К концу такта давление достигает 1,0 —1,2 МПа, а температура — 350. — 400°С,

Рабочий ход — сгорание и расширение. Оба клапана закрыты. В конце

такта сжатая рабочая смесь воспламеняется искрой. Поршень под давлением расширяющихся газов перемещается от ВМТ к НМТ. Давление газов достигает 2,5—4,0 МПа, а температура доходит до 2000°С.

Выпуск — поршень движется вверх. Открыт выпускной клапан. Отработавшие газы выходят через выпускной канал наружу.

Дизельные двигатели по сравнению с карбюраторными более экономичны. Вследствие высокой степени сжатия они расходуют на 25% меньше топлива (на единицу произведенной работы).

Дизельные двигатели работают на тяжелых сортах топлива, которое менее опасное в пожарном отношении.

Однако дизельным двигателям свойственны и некоторые недостатки:

- они более массивны, поскольку высокое давление газов в цилиндре требует увеличения прочности деталей;

- их труднее запускать, особенно в зимнее время, чем карбюраторные.

 

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя (рис. 9)

В двухтактном двигателе отсутствуют клапаны. Впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов у пускового двигателя осуществляется через окна в цилиндре, которые своевременно открываются и закрываются движущимся поршнем.

 

Рис. 9(4). Схема работы двухтактного двигателя: а - первый такт, б - конец первого и начало второго такта, в - конец второго такта; 1 - свеча зажигания, 2 - поршень, 3 - выпускное окно цилиндра, 4 - карбюратор, 5 - впускное окно цилиндра, 6 - кривошипная камера, 7- продувочный канал, 8 - цилиндр, 9 - выхлопная труба, 10 - картер

 

При движении вверх поршень 2 (рис. 9, а) перекрывает выпускные окна 3 в цилиндре, в результате чего над поршнем происходит сжатие рабочей смеси. Одновременно под поршнем создается разрежение, и из карбюратора 4 через впускные окна 5 цилиндра горючая смесь засасывается в кривошипную камеру 6.

При подходе поршня к верхней мертвой точке в свече зажигания 1 (рис. 9, б) образуется электрическая искра и рабочая смесь в цилиндре воспламеняется. На этом заканчивается первый такт.

Под давлением образовавшихся от сгорания рабочей смеси газов поршень

перемещается вниз, совершая рабочий ход, который происходит до тех пор, пока откроются выпускные окна и начнется выпуск, отработавших газов через выпускную трубу наружу. При движении поршня вниз горючая смесь в кривошипной камере сжимается. В конце второго такта поршень открывает окно продувочного канала 7, и горючая смесь нагнетается из кривошипной камеры в цилиндр, вытесняя из него отработавшие газы (рис. 9, в). Происходит продувка и одновременно наполнение цилиндра свежей горючей смесью. При этом горючая смесь частично выходит вместе с отработавшими газами. Таким образом, за два хода поршня (два такта) совершается полный рабочий цикл.

Двигатели с описанным рабочим процессом называют двигателями с кривошипно-камерной продувкой. Эти двигатели по конструкции и в эксплуатации проще, чем четырехтактные. Их работа протекает более равномерно потому, что рабочий ход происходит при каждом обороте коленчатого вала. Однако двухтактные двигатели менее экономичны, чем

четырехтактные. При продувке через выпускные окна теряется 30% горючей смеси. Поэтому двухтактные карбюраторные двигатели используют при кратковременной работе для запуска дизельного двигателя трактора.

 

studopedya.ru