4.3. Робочий цикл автомобільних поршневих двигунів внутрішнього згоряння

Робочим циклом двигуна називають ряд послідовних процесів, які періодично повторюються в кожному циліндрі і обумовлюють роботу двигунів. Частина робочого циклу, під час якої поршень здійснює рух від верхньої мертвої точки чи навпаки, називається тактом. Робочий цикл двигуна складається з кількох тактів.

Двигуни, в яких робочий цикл здійснюється за чотири такти, називаються чотиритактними.

Двигуни, в яких робочий цикл здійснюється за два такти, називають двотактними.

В чотиритактних двигунах з примусовим запалюванням робочої суміші (бензинові двигуни) в камері згоряння встановлюються впускні та випускні клапани, які управляються механізмом газорозподілу, та свічка запалювання.

Рис. 4.7. Робочий цикл чотиритактного карбюраторного двигуна: а) такт впуску; б) такт стиснення; в) такт розширення; в) такт випуску

Перший такт – впуск. Поршень переміщається з ВМТ в НМТ, надпоршнева порожнина циліндра заповнюється горючою сумішшю через відкритий впускний клапан завдяки розрідженню. Горюча суміш, поступаючи в циліндр, змішується із залишками відпрацьованих газів від попереднього циклу, і утворює робочу суміш. В кінці такту тиск в циліндрі складає 0,07-0,95 МПа, температура – 350-390 К, коефіцієнт наповнення циліндра – 0,6-0,7.

Другий такт – стиснення. Поршень рухається від НМТ до ВМТ, впускний і випускний клапани закриті. Об'єм надпоршневої порожнини зменшується. Робоча суміш стискається. Стиснення супроводжується підвищенням тиску і температури. Ступінь стиснення регламентується детонаційною стійкістю пального. В кінці такту тиск становить 1,2–1,7 МПа, а температура – 600-700 К.

Третій такт – розширення (робочий хід). На початку такту при згоранні робочої суміші, яка спалахнула від іскрового розряду свічки запалювання, виділяється значна кількість теплоти, різко збільшується температура і тиск. Внаслідок тиску газів поршень переміщається від ВМТ до НМТ. Гази розширюються і здійснюють корисну роботу. На початку розширення тиск газів становить 4–6 МПа, температура – 2500-2800 К. В кінці розширення тиск в циліндрі складає 0,3–0,5 МПа, температура – 1100-1800 К.

Четвертий такт – випуск. Поршень переміщається від НМТ до ВМТ. Через відкритий випускний клапан відпрацьовані гази виштовхуються з циліндра у випускний трубопровід і в навколишнє середовище. В кінці випуску тиск в циліндрі становить 0,05-0,12 МПа, а температура – 850-1200 К.

Робочий цикл газового двигуна проходить аналогічно, за винятком того, що газоповітряна суміш готується не карбюратором, а карбюратором-змішувачем чи спеціальним газовим змішувачем.

Ступінь очищення циліндра від відпрацьованих газів характеризується коефіцієнтом залишкових газів (відношення маси залишкових газів до маси свіжого заряду). Для сучасних ДВЗ коефіцієнт залишкових газів становить 0,08-0,2, він зростає при збільшенні частоти обертання колінчастого вала.

Робочий цикл двигуна закінчується четвертим тактом. При подальшому русі поршня цикл повторюється в тій же послідовності. Колінчастий вал протягом чотирьох тактів повертається на 720°, тобто здійснює два оберти.

У чотиритактних двигунах корисна робота здійснюється тільки в період такту розширення (робочого ходу), коли поршень переміщається під дією газів, що розширюються, повертаючи колінчастий вал на 180°. Решта три такти є підготовчими і виконуються при повертанні колінчастого вала на 540° завдяки інерції маховика і роботи інших циліндрів (у багатоциліндрових двигунах).

Робочий цикл дизельного двигуна відрізняється тим, що при такті впуску в циліндр двигуна поступає очищене в очиснику повітря, а не горюча суміш, як в карбюраторному двигуні.

Перший такт – впуск. Поршень переміщається від ВМТ до НМТ, через відкритий впускний клапан в циліндр поступає очищене повітря (через розрідження, що створюється поршнем). Повітря перемішується з невеликою кількістю відпрацьованих газів, що залишилися від попереднього циклу, температура підвищується і в кінці такту впускання досягає 300-320 К, а тиск 0,08-0,09 МПа. Коефіцієнт наповнення циліндра 0,9 і вище, тобто більше, ніж у карбюраторного двигуна.

Другий такт – стиснення. Поршень рухається від НМТ до ВМТ, впускний і випускний клапани закриті. Тиск і температура повітря збільшуються і в кінці такту становлять відповідно 3-5 МПа і 800-900 К. Ступінь стиснення регламентується міцністю деталей КШМ і становить 17-21.

Третій такт – розширення (робочий хід). В кінці такту стиснення (20-30° кута повороту колінчастого вала до приходу поршня у ВМТ) за допомогою насоса через форсунку в циліндр під високим тиском (15-20 МПа) в дрібнорозпиленому вигляді вприскується порція пального. Пальне від зіткнення з нагрітим повітрям випаровується, його пари перемішуються з нагрітим повітрям і спалахують. При згоранні пального, унаслідок підведення великої кількості теплоти, різко збільшуються тиск і температура утворених газів. На початку такту розширення тиск газів становить 7-8 МПа, а температура 2100-2300 К. Под тиску газів поршень переміщується від ВМТ до НМТ, здійснюючи корисну роботу. Об'єм циліндра збільшується, тиск і температура газів знижуються і при підході поршня до НМТ становить 0,2-0,4 МПа і 800-1200 К відповідно.

Четвертий такт – випуск. Поршень переміщається від НМТ до ВМТ. Через відкритий випускний клапан відпрацьовані гази виштовхуються через випускний трубопровід в навколишнє середовище. В кінці такту випуску тиск газів становить 0,11-0,12 МПа, температура 850-1200 К. Після цього робочий цикл дизеля повторюється.

Рис. 4.8. Робочий цикл чотиритактного дизельного двигуна: а) такт впуску; б) такт стиснення; в) такт розширення; в) такт випуску

Для кращого наочного відображення фізичних процесів, які відбуваються у двигуні під час проходження ним усіх робочих тактів, будують індикаторні діаграми. На діаграмі відображається залежність тиску р в циліндрі від змінного об’єму циліндра V. Лінія p₀ відповідає нормальному атмосферному тиску.

Рис. 4.9. Індикаторна діаграма роботи чотиритактного двигуна: а) карбюраторного; б) дизельного; r – початок такту впуску; ra – такт впуску; ac – такт стиснення; z’zb – такт розширення; br – такт випуску; 1 – точка, в якій атмосферний тиск і тиск в циліндрі зрівнюються; 2 – момент запалювання суміші (в дизелі - впорскування пального); 3 – момент відкриття випускного клапана

Робочий цикл поршневого двигуна може проходити за два ходи поршня (один оберт колінчастого вала). Такі двигуни називаються двотактними. Конструктивною особливістю двотактного двигуна є відсутність клапанного газорозподільного механізму. Газорозподіл здійснюється через вікна в циліндрі, які в потрібний момент перекриваються поршнем.

В залежності від типу двигуна, горюча суміш чи повітря попередньо стискаються спеціальним насосом. В нижній частині циліндра, закріпленого на картері, виконані впускне та випускне вікна. В головці циліндра встановлена свічка запалювання (в дизелях форсунка).

Перший такт. Поршень рухається від НМТ до ВМТ завдяки енергії маховика двигуна. Обидва вікна відкриті. Горюча суміш (в дизелі – повітря) подається в циліндр насосом через впускне вікно і витісняє з циліндра відпрацьовані гази, які виходять в атмосферу через випускне вікно. Так відбувається очистка циліндра від відпрацьованих газів і заповнення його свіжим зарядом. Поршень під час руху закриває спочатку впускне вікно, а потім випускне. Після цього відбувається процес стиснення, в кінці якого електричною іскрою запалюється робоча суміш (в дизелях – впорскується пальне). Таким чином, за першу половину оберту колінчастого вала здійснюються процеси наповнення та стиснення і починається згоряння пального.

Другий такт відбувається при русі поршня від ВМТ до НМТ. В результаті виділення теплоти при згорянні пального підвищуються температура і тиск всередині циліндра. Під дією тиску газів поршень переміщається вниз, здійснюючи корисну роботу. Розширення є основним процесом, який відбувається під час другої половини оберту колінчастого вала. Як тільки поршень відкриє випускне вікно, відпрацьовані гази під значним тиском починають виходити в атмосферу. До моменту відкриття впускного вікна тиск всередині циліндра знижується настільки, що стає можливим почати очищення циліндрів шляхом витіснення відпрацьованих газів свіжим зарядом, який подається в циліндр насосом. Цей процес називається продувкою циліндра.

Рис. 4.10. Схема роботи двотактного поршневого двигуна: а) перший такт (рух поршня вгору); б) другий такт (рух поршня вниз); 1 – впускний отвір; 2 – випускний отвір; 3 – насос

Перевагою двотактних двигунів є більша потужність ніж у чотиритактних при однакових робочих об’ємах і частотах обертання колінчастого вала. Проте вони мають ряд суттєвих недоліків. Двотактні двигуни мають гіршу паливну економічність та менший строк служби в порівнянні з чотиритактними. Крім цього, вони є більш токсичними. Цим пояснюється обмежене застосування таких двигунів на автомобілях.

На сучасних автомобілях застосовуються як карбюраторні двигуни, так і дизельні.

Порівняно з карбюраторними двигунами, дизелі мають такі переваги:

• вища паливна економічність (на 30-40 %);

• обертовий момент більший (на 15-20 %) при однаковій потужності;

• менша пожежонебезпечність;

• менша токсичність;

• висока надійність.

До недоліків дизельних двигунів в порівнянні з бензиновими можна віднести:

• велику масу і габаритні розміри при однаковій потужності;

• важчий пуск, особливо взимку;

• підвищений рівень шуму;

• висока вартість паливної апаратури;

• менша потужність;

• значний вміст сажі у відпрацьованих газах.