Як було вище сказано, теплове розширення застосовується в ДВС. Але яким чином воно застосовується і яку функцію виконує ми розглянемо на прикладі роботи поршневого ДВС. Двигуном називається енергосилова машина, яка перетворює будь-яку енергію в механічну роботу. Двигуни, в яких механічна робота створюється в результаті перетворення теплової енергії, називаються тепловими. Теплова енергія виходить при спалюванні будь-якого палива. Тепловий двигун, в якому частина хімічної енергії палива, що згорає в робочій порожнині, перетворюється в механічну енергію, називається поршневим двигуном внутрішнього згоряння. (Радянський енциклопедичний словник)
3. 1. Класифікація ДВС
Як було вище сказано, як енергетичних установок автомобілів найбільшого поширення повчили ДВС, в яких процес згоряння палива з виділенням теплоти і перетворенням її в механічну роботу відбувається безпосередньо в циліндрах. Але в більшості сучасних автомобілів встановлені двигуни внутрішнього згоряння, які класифікуються за різними ознаками: За способом сумішоутворення - двигуни із зовнішнім сумішоутворенням, у яких горюча суміш готується поза циліндрів (карбюраторні і газові), і двигуни з внутрішнім сумішоутворенням (робоча суміш утворюється всередині циліндрів) -дизель; За способом здійснення робочого циклу - чотиритактні і двотактні; За кількістю циліндрів - одноциліндрові, двоциліндрові і багатоциліндрові; По розташуванню циліндрів - двигуни з вертикальним або похилим розташуванням циліндрів в один ряд, V-подібні з розташуванням циліндрів під кутом (при розташуванні циліндрів під кутом 180 двигун називається двигуном з протилежними циліндрами, або оппозітним); За способом охолодження - на двигуни з рідинним або повітряним охолодженням; По виду застосовуваного палива - бензинові, дизельні, газові та багатопаливні; За ступенем стиснення. Залежно від ступеня стиснення розрізняють
двигуни високого (E \u003d 12 ... 18) і низького (E \u003d 4 ... 9) стиснення; За способом наповнення циліндра свіжим зарядом: а) двигуни без наддуву, у яких впускання повітря або горючої суміші здійснюється за рахунок розрядження в циліндрі при всмоктуючому ході поршня;) двигуни з наддувом, у яких впускання повітря або горючої суміші в робочий циліндр відбувається під тиском, створюваним компресором, з метою збільшення заряду і отримання підвищеної потужності двигуна; За частотою обертання: тихохідні, підвищеної частоти обертання, швидкохідні; За призначенням розрізняють двигуни стаціонарні, авто тракторні, суднові, тепловозні, авіаційні та ін.
3.2. Основи пристрою поршневих ДВС
Поршневі ДВС складаються з механізмів і систем, що виконують задані їм функції і взаємодіючих між собою. Основними частинами такого двигуна є кривошипно-шатунний механізм і газорозподільний механізм, а також системи харчування, охолодження, запалювання і мастильна система.
Кривошипно-шатунний механізм перетворює прямолінійний зворотно-поступальний рух поршня в обертальний рух колінчастого вала.
Механізм газорозподілу забезпечує своєчасне впускання горючої суміші в циліндр і видалення з нього продуктів згоряння.
Система харчування призначена для приготування та подачі горючої суміші в циліндр, а також для відведення продуктів згоряння.
Мастильна система служить для подачі масла до взаємодіє деталей з метою зменшення сили тертя і часткового їх охолодження, поряд з цим циркуляція масла призводить до змивання нагару і видалення продуктів зношування.
Система охолодження підтримує нормальний температурний режим роботи двигуна, забезпечуючи відведення теплоти від сильно нагріваються при згорянні робочої суміші деталей циліндрів поршневий групи і клапанного механізму.
Система запалення призначена для займання робочої суміші в циліндрі двигуна.
Отже, чотиритактний поршневий двигун складається з циліндра і картера, який знизу закритий піддоном. Усередині циліндра переміщується поршень з компресійними (ущільнювальними) кільцями, що має форму склянки з днищем у верхній частині. Поршень через поршневий палець і шатун зв'язаний з колінчастим валом, який обертається в корінних підшипниках, розташованих в картері. Колінчастий вал складається з корінних шийок, щік і шатунной шийки. Циліндр, поршень, шатун і колінчастий вал становлять так званий кривошипно-шатунний механізм. Зверху циліндр накритий головкою з клапанами, відкриття і закриття яких точно узгоджене з обертанням колінчастого вала, а отже, і з переміщенням поршня.
Переміщення поршня обмежується двома крайніми положеннями, при яких його швидкість дорівнює нулю. Крайнє верхнє положення поршня називається верхньою мертвою точкою (ВМТ), крайнє нижнє його положення - коефіцієнт корисної (НМТ).
Невпинне рух поршня через мертві точки забезпечується маховиком, що має форму диска з масивним ободом. Відстань, яку проходить поршнем від ВМТ до НМТ, називається ходом поршня S, що дорівнює подвоєному радіусу R кривошипа: S \u003d 2R.
Простір над днищем поршня при перебуванні його в ВМТ називається камерою згоряння; її обсяг позначається через Vс; простір циліндра між двома мертвими точками (НМТ і ВМТ) називається його робочим об'ємом і позначається Vh. Сума обсягу камери згоряння Vс і робочого об'єму Vh становить повний обсяг циліндра Vа: Vа \u003d Vс + Vh. Робочий об'єм циліндра (його вимірюють в кубічних сантиметрах або метрах): Vh \u003d ПД ^ 3 * S / 4, де Д - діаметр циліндра. Суму всіх робочих об'ємів циліндрів багатоциліндрового двигуна називають робочим об'ємом двигуна, його визначають за формулою: V р \u003d (ПД ^ 2 * S) / 4 * i, де i - число циліндрів. Ставлення повного обсягу циліндра Va до обсягу камери згоряння Vc називається ступенем стиснення: E \u003d (Vc + Vh) Vc \u003d Va / Vc \u003d Vh / Vc + 1. Ступінь стиснення є важливим параметром двигунів внутрішнього згоряння, тому що сильно впливає на його економічність і потужність.
Більшість автомобілів змушує переміщатися поршневий двигун внутрішнього згоряння (скорочено ДВС) з кривошипно-шатунним механізмом. Така конструкція набула масового поширення в силу малої вартості і технологічності виробництва, порівняно невеликих габаритів і ваги.
По виду застосовуваного палива ДВС можна розділити на бензинові і дизельні. Треба сказати, що бензинові двигуни чудово працюють на. Такий поділ безпосередньо позначається на конструкції двигуна.
Як влаштований поршневий двигун внутрішнього згоряння
Основа його конструкції - блок циліндрів. Це корпус, відлитий з чавуну, алюмінієвого або іноді магнієвого сплаву. Більшість механізмів і деталей інших систем двигуна кріпляться саме до блоку циліндрів, або розташовуються усередині його.
Інша велика деталь двигуна, це його головка. Вона знаходиться у верхній частині блоку циліндрів. У голівці також розташовуються деталі систем двигуна.
Знизу до блоку циліндра кріпиться піддон. Якщо ця деталь сприймає навантаження при роботі двигуна, її часто називають піддоном картера, або картером.
Всі системи двигуна
- кривошипно-шатунний механізм;
- механізм газорозподілу;
- система харчування;
- система охолодження;
- система змазки;
- система запалювання;
- система управління двигуном.
Кривошипно-шатунний механізм складається з поршня, гільзи циліндра, шатуна і колінчастого вала.
Кривошипно-шатунний механізм:
1. Розширювач маслос'емного кільця. 2. Кільце поршневе маслос'емного. 3. Кільце компресійне, третє. 4. Кільце компресійне, друге. 5. Кільце компресійне, верхнє. 6. Поршень. 7. Кільце стопорне. 8. Палець поршневий. 9. Втулка шатуна. 10. Шатун. 11. Кришка шатуна. 12. Вкладиш нижній головки шатуна. 13. Болт кришки шатуна, короткий. 14. Болт кришки шатуна, довгий. 15. Шестерня ведуча. 16. Заглушка масляного каналу шатунной шийки. 17. Вкладиш підшипника колінчастого вала, верхній. 18. Вінець зубчастий. 19. Болти. 20. Маховик. 21. Штифти. 22. Болти. 23. Маслоотражатель, задній. 24. Кришка заднього підшипника колінчастого вала. 25. Штифти. 26. Півкільце наполегливої \u200b\u200bпідшипника. 27. Вкладиш підшипника колінчастого вала, нижній. 28. Противага колінчастого вала. 29. Гвинт. 30. Кришка підшипника колінчастого вала. 31. Болт стягнутий. 32. Болт кріплення кришки підшипника. 33. Вал колінчастий. 34. Противага, передній. 35. Маслоотрожатель, передній. 36. Гайка замкова. 37. Шків. 38. Болти.
Поршень розташований всередині гільзи циліндра. За допомогою поршневого пальця він з'єднаний з шатуном, нижня головка якого кріпиться до шатунной шийці колінчастого вала. Гільза циліндра являє собою отвір в блоці, або чавунну втулку, що вставляється в блок.
Гільза циліндрів з блоком
Гільза циліндра зверху закрита головкою. Колінчастий вал також кріпиться до блоку в нижній його частині. Механізм перетворює прямолінійний рух поршня в обертальний рух колінчастого вала. Те саме обертання, яке, в кінцевому рахунку, змушує крутитися колеса автомобіля.
Газорозподільчий механізм відповідає за подачу суміші парів палива і повітря в простір над поршнем і видалення продуктів горіння через клапани, що відкриваються строго в певний момент часу.
Система харчування відповідає в першу чергу за приготування горючої суміші потрібного складу. Пристрої системи зберігають паливо, очищають його, змішують з повітрям так, щоб забезпечити приготування суміші потрібного складу і кількості. Також система відповідає за видалення з двигуна продуктів горіння палива.
При роботі двигуна утворюється теплова енергія в кількості більшій, ніж двигун здатний перетворити в механічну енергію. На жаль, так званий термічний коефіцієнт корисної дії, навіть кращих зразків сучасних двигунів не перевищує 40%. Тому доводиться велика кількість «зайвої» теплоти розсіювати в навколишньому просторі. Саме цим і займається, відводить тепло і підтримує стабільну робочу температуру двигуна.
Система змазки . Це як раз той випадок: «Не підмажеш, не поїдеш». У двигунах внутрішнього згоряння велика кількість вузлів тертя і так званих підшипників ковзання: є отвір, в ньому обертається вал. Чи не буде мастила, від тертя і перегріву вузол вийде з ладу.
Система запалювання покликана підпалити, строго в певний момент часу, суміш палива та повітря в просторі над поршнем. такої системи немає. Там паливо самозаймається при певних умовах.
Відео:
Система управління двигуном за допомогою електронного блоку управлінні (ЕБУ) управляє системами двигуна і координує їх роботу. В першу чергу це приготування суміші потрібного складу і своєчасне підпалювання її в циліндрах двигуна.
Роторно-поршневий двигун (РПД), або двигун Ванкеля. Двигун внутрішнього згоряння, розроблений Феліксом Ванкелем в 1957 році в співавторстві з Вальтером Фройде. У РПД функцію поршня виконує трехвершинная (тригранний) ротор, що здійснює обертальні рухи всередині порожнини складної форми. Після хвилі експериментальних моделей автомобілів і мотоциклів, що припала на 60-е і 70-е роки ХХ століття, інтерес до РПД знизився, хоча ряд компаній як і раніше працює над вдосконаленням конструкції двигуна Ванкеля. В даний час РПД оснащуються легкові автомобілі компанії Mazda. Роторно-поршневий двигун знаходить застосування в моделизме.
Принцип роботи
Сила тиску газів від згорілої паливо-повітряної суміші призводить в рух ротор, насаджений через підшипники на ексцентриковий вал. Рух ротора щодо корпусу двигуна (статора) проводиться через пару шестерень, одна з яких, більшого розміру, закріплена на внутрішній поверхні ротора, друга, опорна, меншого розміру, жорстко прикріплена до внутрішньої поверхні бічної кришки двигуна. Взаємодія шестерень призводить до того, що ротор здійснює кругові ексцентричні руху, стикаючись гранями з внутрішньою поверхнею камери згоряння. В результаті між ротором і корпусом двигуна утворюються три ізольовані камери змінного об'єму, в яких відбуваються процеси стиснення паливо-повітряної суміші, її згоряння, розширення газів, які чинять тиск на робочу поверхню ротора і очищення камери згоряння від відпрацьованих газів. Обертальний рух ротора передається на ексцентриковий вал, встановлений на підшипниках і передає крутний момент на механізми трансмісії. Таким чином в РПД одночасно працюють дві механічні пари: перша - регулююча рух ротора і складається з пари шестерень; і друга - що перетворює круговий рух ротора в обертання ексцентрикового вала. Передавальне співвідношення шестерень ротора і статора 2: 3, тому за один повний оборот ексцентрикового вала ротор встигає провернутися на 120 градусів. У свою чергу за один повний оберт ротора в кожній з трьох утворених його гранями камер проводиться повний чотиритактний цикл двигуна внутрішнього згоряння.
схема РПД
1 - впускний вікно; 2 випускне вікно; 3 - корпус; 4 - камера згоряння; 5 - нерухома шестерня; 6 - ротор; 7 - зубчасте колесо; 8 - вал; 9 - свічка запалювання
переваги РПД
Головним достоїнством роторно-поршневого двигуна є простота конструкції. У РПД на 35-40 відсотків менше деталей, ніж в поршневому чотиритактному двигуні. У РПД відсутні поршні, шатуни, колінчастий вал. У «класичному» варіанті РПД немає і газорозподільного механізму. Паливо-повітряна суміш надходить в робочу порожнину двигуна через впускний вікно, яке відкриває грань ротора. Відпрацьовані гази викидаються через випускне вікно, яке перетинає, знову ж таки, грань ротора (це нагадує пристрій газорозподілу двотактного поршневого двигуна).
Окремої згадки заслуговує система мастила, яка в найпростішому варіанті РПД практично відсутня. Масло додається в паливо - як при експлуатації двотактних мотоциклетних двигунів. Мастило пар тертя (перш за все ротора і робочої поверхні камери згоряння) виробляється самою паливо-повітряною сумішшю.
Оскільки маса ротора невелика і легко врівноважується масою противаг ексцентрикового вала, РПД відрізняється невеликим рівнем вібрацій і хорошою рівномірністю роботи. В автомобілях з РПД легше врівноважити двигун, домігшись мінімального рівня вібрацій, що добре позначається на комфортабельності машини в цілому. Особливою плавністю ходу відрізняються двохроторннім двигуни, в яких ротори самі є знижують рівень вібрацій балансирами.
Ще одна приваблива якість РПД - висока питома потужність при високих оборотах ексцентрикового вала. Це дозволяє домогтися від автомобіля з РПД відмінних швидкісних характеристик при відносно невеликій витраті палива. Мала інерційність ротора і підвищена в порівнянні з поршневими двигунами внутрішнього згоряння питома потужність дозволяють поліпшити динаміку автомобіля.
Нарешті, важливим достоїнством РПД є невеликі розміри. роторний двигун менше поршневого чотиритактного мотора тієї ж потужності приблизно вдвічі. І це дозволяє більш раціонально використовувати простір моторного відсіку, Більш точно розраховувати розташування вузлів трансмісії і навантаження на передню і задню вісь.
недоліки РПД
Головний недолік роторно-поршневого двигуна - невисока ефективність ущільнень зазору між ротором і камерою згоряння. Хто має складну форму ротор РПД вимагає надійних ущільнень не тільки по гранях (а їх чотири у кожній поверхні - дві по вершинним, дві по бічних гранях), але і по бічній поверхні, дотичної з кришками двигуна. При цьому ущільнення виконані у вигляді пружних смужок з високолегованої сталі з особливо точної обробкою як робочих поверхонь, так і торців. Закладені в конструкцію ущільнень допуски на розширення металу від нагрівання погіршують їх характеристики - уникнути прориву газів у торцевих ділянок ущільнювачів пластин практично неможливо (в поршневих двигунах використовують лабірінтовий ефект, встановлюючи кільця ущільнювачів зазорами в різні боки).
В останні роки надійність ущільнень різко зросла. Конструктори знайшли нові матеріали для ущільнень. Однак, говорити про якийсь прорив поки не доводиться. Ущільнення до сих пір залишаються найвужчим місцем РПД.
Складна система ущільнень ротора вимагає ефективної мастила труться. РПД споживає більше масла, ніж чотиритактний поршневий двигун (від 400 грамів до 1 кілограма на 1000 кілометрів). При цьому масло згорає разом з паливом, що погано позначається на екологічності двигунів. У вихлопних газах РПД небезпечних для здоров'я людей речовин більше, ніж у вихлопних газах поршневих двигунів.
Особливі вимоги пред'являються і до якості масел, використовуваних в РПД. Це пов'язано, по-перше, зі схильністю до підвищеного зносу (через велику площі дотичних деталей - ротора і внутрішньої камери двигуна), по-друге, до перегріву (знову ж через підвищеного тертя і через невеликих розмірів самого двигуна). Для РПД смертельно небезпечні нерегулярна зміна масла - оскільки абразивні частки в старому маслі різко збільшують знос двигуна, і переохолодження двигуна. Запуск холодного двигуна і недостатній його прогрів призводять до того, що в зоні контакту ущільнень ротора з поверхнею камери згоряння і бічними кришками виявляється мало мастила. Якщо поршневий двигун заклинює при перегріванні, то РПД найчастіше - під час запуску холодного двигуна (або при русі в холодну погоду, коли охолодження виявляється надлишковим).
В цілому робоча температура РПД вище, ніж у поршневих двигунів. Сама термонапруженого область - камера згоряння, яка має невеликий об'єм і, відповідно, підвищену температуру, що ускладнює процес підпалу паливо-повітряної суміші (РПД через протяжної форми камери згоряння схильні до детонації, що теж можна віднести до недоліків цього типу двигунів). Звідси вимогливість РПД до якості свічок. Зазвичай їх встановлюють в ці двигуни попарно.
Роторно-поршневі двигуни при чудових потужних і швидкісних характеристиках виявляються менш гнучкими (або менш еластичними), ніж поршневі. Вони видають оптимальну потужність тільки на досить високих оборотах, що змушує конструкторів використовувати РПД в парі з багатоступінчатими КП і ускладнює конструкцію автоматичних коробок передач. В кінцевому підсумку РПД виявляються не такими економічними, якими повинні бути в теорії.
Практичне застосування в автопромисловості
Найбільшого поширення РПД отримали в кінці 60-х і початку 70-х років минулого століття, коли патент на двигун Ванкеля був куплений 11 провідними автовиробниками світу.
У 1967 році німецька компанія NSU випустила серійний легковий автомобіль бізнес-класу NSU Ro 80. Ця модель випускалася протягом 10 років і розійшлася по світу в кількості 37204 примірників. Автомобіль користувався популярністю, але недоліки встановленого в ньому РПД, в кінці кінців, зіпсували репутацію цієї чудової машини. На тлі довговічних конкурентів модель NSU Ro 80 виглядала «блідо» - пробіг до капітального ремонту двигуна при заявлених 100 тисячах кілометрів не перевищував 50 тисяч.
З РПД експериментували концерн Citroen, Mazda, ВАЗ. Найбільших успіхів добилася Mazda, яка випустила свій легковий автомобіль з РПД ще в 1963 році, на чотири роки раніше появи NSU Ro 80. Сьогодні концерн Mazda оснащує РПД спорткари серії RX. сучасні автомобілі Mazda RX-8 позбавлені багатьох недоліків РПД Фелікса Ванкеля. Вони цілком екологічні та надійні, хоча серед автовласників і фахівців з ремонту вважаються «примхливими».
Практичне застосування в мотопромишленності
У 70-е і 80-е роки з РПД експериментували деякі виробники мотоциклів - Hercules, Suzuki і інші. В даний час дрібносерійне виробництво «роторних» мотоциклів налагоджено тільки в компанії Norton, що випускає модель NRV588 і готує до серійного випуску мотоцикл NRV700.
Norton NRV588 - спортбайк, оснащений двороторним двигуном загальним обсягом в 588 кубічних сантиметрів і розвиває потужність в 170 кінських сил. При сухій вазі мотоцикла в 130 кг енергоозброєність спортбайка виглядає в буквальному сенсі позамежної. Двигун цієї машини оснащений системами впускного тракту змінної величини і електронного уприскування палива. Про моделі NRV700 відомо лише те, що потужність РПД у цього спортбайка сягатиме 210 к.с.
Поршневі ДВС знайшли найширше розповсюдження в якості джерел енергії на автомобільному, залізничному і морському транспорті, в сільськогосподарському і будівельному виробництвах (трактори, бульдозери), в системах аварійного енергозабезпечення спеціальних об'єктів (лікарні, лінії зв'язку і т.п.) і в багатьох інших областях людської діяльності. В останні роки особливого поширення отримують міні-ТЕЦ на основі газопоршневих ДВС, за допомогою яких ефективно вирішуються завдання енергопостачання невеликих житлових районів або виробництв. Незалежність таких ТЕЦ від централізованих систем (типу РАО ЄЕС) підвищує надійність і стійкість їх функціонування.
Вельми різноманітні по конструктивного виконання поршневі ДВС здатні забезпечувати дуже широкий інтервал потужностей - від дуже малих (двигун для авіамоделей) до дуже великих (двигун для океанських танкерів).
З основами пристрої та принципом дії поршневих ДВС ми неодноразово знайомилися, починаючи від шкільного курсу фізики і закінчуючи курсом «Технічна термодинаміка». І все ж, щоб закріпити і поглибити знання, розглянемо дуже коротко ще раз це питання.
На рис. 6.1 приведена схема пристрою двигуна. Як відомо, спалювання палива в ДВС здійснюється безпосередньо в робочому тілі. У поршневих ДВС таке спалювання проводиться в робочому циліндрі 1 з рухомим в ньому поршнем 6. Утворені в результаті згоряння димові гази штовхають поршень, змушуючи його робити корисну роботу. Поступальний рух поршня за допомогою шатуна 7 і колінчастого вала 9 перетворюється в обертальний, більш зручне для використання. Колінчастий вал розташовується в картері, а циліндри двигуна - в інших корпусних деталі, званої блоком (або сорочкою) циліндрів 2. У кришці циліндра 5 знаходяться впускний 3 і випускний 4 клапани з примусовим кулачковим приводом від спеціального розподільник-ного валу, кінематично пов'язаного з колінчастим валом машини.
Мал. 6.1.
Щоб двигун працював безперервно, необхідно періодично видаляти з циліндра продукти згоряння і заповнювати його новими порціями палива і окислювача (повітря), що і здійснюється завдяки переміщенням поршня і роботі клапанів.
Поршневі ДВС прийнято класифікувати за різними загальними ознаками.
- 1. За способом сумішоутворення, запалювання і підведення тепла двигуни ділять на машини з примусовим запалюванням і з самозаймання (карбюраторні або інжекторні і дизельні).
- 2. По організації робочого процесу - на чотиритактні і двотактні. В останніх робочий процес відбувається не за чотири, а за два ходи поршня. У свою чергу, двотактні ДВС підрозділяються на машини з прямоточною клапанно-щілинним продуванням, з кривошипно-камерної продувкою, з прямоточною продувкою і протилежно рухомими поршнями і ін.
- 3. За призначенням - на стаціонарні, суднові, тепловозні, автомобільні, автотракторні та ін.
- 4. За кількістю оборотів - на малооборотних (до 200 об / хв) і високооборотні.
- 5. За середньої швидкості поршня й\u003e п \u003d? п / 30 - на тихохідні і швидкохідні (й? "\u003e 9 м / с).
- 6. За тиском повітря на початку стиску - на звичайні і з наддувом за допомогою приводних повітродувок.
- 7. Щодо використання тепла вихлопних газів - на звичайні (без використання цього тепла), з турбонаддувом і комбіновані. У машин з турбонаддувом випускні клапани відкриваються трохи раніше звичайного і димові гази з більш високим тиском, ніж зазвичай, направляються в імпульсну турбіну, яка приводить в дію турбокомпресор, що подає повітря в циліндри. Це дозволяє спалювати в циліндрі більше палива, покращуючи і ККД, і технічні характеристики машини. У комбінованих ДВС поршнева частина служить багато в чому генератором газу і виробляє тільки ~ 50-60% потужності машини. Іншу частину загальної потужності отримують від газової турбіни, що працює на димових газах. Для цього димові гази при високому тиску р і температурі / направляються в турбіну, вал якої за допомогою зубчастої передачі або гідромуфти передає одержувану потужність головному валу установки.
- 8. За кількістю і розташуванням циліндрів двигуни бувають: одно-, дво- і багатоциліндрові, рядні, К-образні, .Т-образні.
Розглянемо тепер реальний процес сучасного чотиритактного дизеля. Чотиритактним його називають тому, що повний цикл тут здійснюється за чотири повних ходу поршня, хоча, як ми зараз побачимо, за цей час здійснюється дещо більше реальних термодинамічних процесів. Ці процеси наочно представлені на рис 6.2.
Мал. 6.2.
I - всмоктування; II - стиснення; III - робочий хід; IV - виштовхування
Під час такту всмоктування (1) всмоктує (впускний) клапан відкривається за кілька градусів до верхньої мертвої точки (ВМТ). Моменту відкриття відповідає точка г на р- ^ -Діаграмме. При цьому процес всмоктування відбувається при русі поршня до нижньої мертвої точки (НМТ) і йде при тиску р нс менше атмосферного /; а (або тиску наддуву р н). При зміні напрямку руху поршня (від НМТ до ВМТ) впускний клапан закривається теж не відразу, а з певним запізненням (в точці т). Далі при закритих клапанах відбувається стиснення робочого тіла (до точки с). В дизельних машинах всмоктується і стискається чисте повітря, а в карбюраторних - робоча суміш повітря з парами бензину. Цей хід поршня прийнято називати тактом стиснення (II).
За кілька градусів кута повороту колінчастого вала до ВМТ в циліндр впорскується через форсунку дизельне паливо, Відбувається його самозаймання, згоряння і розширення продуктів згоряння. В карбюраторних машинах робоча суміш примусово підпалюється за допомогою електричного іскрового розряду.
При стисненні повітря і порівняно малому теплообміні зі стінками температура його значно підвищується, перевищуючи температуру самозаймання палива. Тому впорснути дрібно розпорошену паливо дуже швидко прогрівається, випаровується і загоряється. В результаті згорання палива тиск у циліндрі спочатку різко, а потім, коли поршень починає свій шлях до НМТ, з зменшуваним темпом збільшується до максимуму, а потім у міру згоряння останніх порцій палива, що надійшло за уприскуванні, навіть починає зменшуватися (через інтенсивне зростання обсягу циліндра). Будемо вважати умовно, що в точці з " процес горіння закінчується. Далі слідує процес розширення димових газів, коли сила їхнього тиску переміщує поршень до НМТ. Третій хід поршня, що включає процеси згоряння і розширення, називають робочим ходом (III), бо тільки в цей час двигун робить корисну роботу. Цю роботу акумулюють за допомогою маховика і віддають споживачеві. Частина акумульованої роботи витрачається при здійсненні інших трьох тактів.
Коли поршень наближається до НМТ, з деяким випередженням відкривається випускний клапан (точка Ь) І відпрацьовані димові гази спрямовуються в вихлопну трубу, А тиск в циліндрі різко падає майже до атмосферного. При ході поршня до ВМТ відбувається виштовхування димових газів з циліндра (IV - виштовхування). Оскільки випускний тракт двигуна має певний гідравлічним опором, тиск в циліндрі під час цього процесу залишається вище атмосферного. Випускний клапан закривається пізніше проходження ВМТ (точка п),гак що в кожному циклі виникає ситуація, коли одночасно відкриті і впускний, і випускний клапани (кажуть про перекриття клапанів). Це дозволяє краще очистити робочий циліндр від відпрацьованих газів, в результаті збільшується ефективність і повнота згоряння палива.
По-іншому організовується цикл у двотактних машин (рис. 6.3). Зазвичай це двигуни з наддувом, і для цього вони, як правило, мають приводную повітродувку або турбокомпресор 2 , Який під час роботи двигуна нагнітає повітря в повітряний ресивер 8.
Робочий циліндр двотактного двигуна завжди має продувні вікна 9, через які повітря з ресивера потрапляє в циліндр, коли поршень, проходячи до НМТ, почне відкривати їх все більше і більше.
За перший хід поршня, який прийнято називати робочим ходом, в циліндрі двигуна відбувається згорання уприснуло палива і розширення продуктів згоряння. Ці процеси на індикаторної діаграмі (рис. 6.3, а) відображені лінією з - I - т. У точці твідкриваються випускні клапани і під дією надлишкового тиску димові гази спрямовуються в випускний тракт 6, в резуль-
Мал. 6.3.
1 - всмоктуючий патрубок; 2 - повітродувка (або турбокомпресор); 3 - поршень; 4 - випускні клапани; 5 - форсунка; 6 - випускний тракт; 7 - робочий
циліндр; 8 - повітряний ресивер; 9- продувні вікна
таті тиск в циліндрі помітно падає (точка п). Коли поршень опускається настільки, що починають відкриватися продувні вікна, в циліндр спрямовується стиснене повітря з ресивера 8 , Виштовхуючи з циліндра залишки димових газів. При цьому робочий об'єм продовжує збільшуватися, а тиск в циліндрі зменшується практично до тиску в ресивері.
Коли напрямок руху поршня змінюється на протилежне, процес продувки циліндра триває до тих пір, поки продувні вікна залишаються хоча б частково відкритими. У точці до(Рис. 6.3, б) поршень повністю перекриває продувні вікна і починається стиск чергової порції повітря, що потрапив в циліндр. За кілька градусів до ВМТ (в точці з ") починається впорскування палива через форсунку, а далі відбуваються описані раніше процеси, що призводять до займання і згорання палива.
На рис. 6.4 наведені схеми, що пояснюють конструктивну будову інших типів двотактних двигунів. В цілому робочий цикл у всіх цих машин аналогічний описаному, а конструктивні особливості багато в чому позначаються тільки на тривалості
Мал. 6.4.
а - петлевая щілинна продування; 6 - прямоточна продування з протилежно рухомими поршнями; в - кривошипно-камерна продування
окремих процесів і, як наслідок, на техніко-економічні характеристики двигуна.
На закінчення слід зазначити, що двотактні двигуни теоретично дозволяють при інших рівних умовах отримувати вдвічі більшу потужність, однак в дійсності через гірших умов очищення циліндра і порівняно великих внутрішніх втрат цей виграш дещо менше.
