3. Особенности работы карбюраторного двигателя

По первой схеме топливо испаряется, и пары его смеши­ваются с воздухом вне цилиндра двигателя. Полученная горю­чая смесь засасывается в цилиндр двигателя через впускной клапан при движении поршня от камеры сгорания в направле­нии коленчатого вала. Этот такт работы двигателя называют впуском. В конце такта впуска впускной клапан закрывается. Далее поршень идет в направлении камеры сгорания, и горючая смесь подвергается сжатию. В период такта сжатия пары топ­лива хорошо перемешиваются с воздухом, и смесь подготавли­вается к сгоранию. В конце этого такта в камеру сгорания с помощью специального устройства - свечи зажигания - пода­ется электрическая искра, от которой смесь воспламеняется и сгорает. В результате резко повышается температура и давле­ние в камере сгорания; под действием давления поршень в ци­линдре перемещается (рабочий ход), расширяющиеся газы со­вершают полезную работу. После расширения температура и давление газов в цилиндре понижаются, открывается выпускной клапан и поршень выталкивает продукты сгорания в атмосферу; происходит очистка цилиндра, это - такт выпуска. Далее рабо­чий цикл повторяется.

За четыре движения поршня в цилиндре двигателя, т. е. за два оборота коленчатого вала, только один ход поршня яв­ляется рабочим тактом — совершается за счет расширения га­зов, все остальные — за счет инерции маховика, укрепленного на коленчатом валу. Для обеспечения равномерной работы дви­гателя в одном блоке располагают несколько цилиндров (блок цилиндров), поршни которых через шатуны приводят во враще­ние один коленчатый вал. Сгорание и расширение газов в каж­дом из цилиндров происходит поочередно, что обеспечивает стабильную и равномерную работу двигателя.

В двигателях с воспламенением от искры процесс смесеоб­разования происходит главным образом вне цилиндра, как пра­вило, в специальном устройстве — карбюраторе. Карбюратор служит для дозирования распыливания, частичного испарения и смешения топлива с воздухом.

4. Особенности работы дизельного двигателя

Схема рабочего цикла дизельного двигателя предусматривает самовоспламенение топлива от горячего возду­ха без какого-либо постороннего источника воспламенения.

По этой схеме рабочий цилиндр двигателя во время такта впуска заполняется не горючей смесью, а воздухом. Воздух затем под­вергается сжатию и сильно нагревается. В конце процесса сжа­тия в цилиндр, в нагретый воздух, через форсунку при большом давлении впрыскивается топливо. При этом топливо мелко распыливается, испаряется и перемешивается с воздухом, образуя горючую смесь. Процесс сгорания начинается с самовоспламене­ния смеси при высокой температуре, которая достигается в про­цессе сжатия воздуха. Все остальные процессы — сгорание, рас­ширение газов и их удаление из камер сгорания — по второй схеме рабочего цикла происходят так же, как и по первой схеме.

Таким образом, характерным отличием второй схемы рабо­чего цикла от первой является самовоспламенение топлива. Двигатели, рабочий цикл у которых протекает по такой схеме, называют дизелями. Процесс образования горючей смеси в ди­зелях происходит внутри цилиндра. Для достижения высоких температур в дизельном двигателе приходится сжимать воздух во много раз больше (в 15—17 раз), чем сжимают топливо-воз-душную смесь в двигателе с принудительным воспламенением (в 7—9 раз). Более высокая степень сжатия в дизеле обеспечи­вает и более высокий коэффициент полезного действия в та­ких двигателях. Для совершения одной и той же работы в дизе­ле расходуется топлива примерно на 25—30 % меньше, чем в двигателе с принудительным зажиганием. Высокая степень сжа­тия в дизеле обусловливает и высокие давления и нагрузки, что требует применения более прочных деталей. При одной и той же мощности материалоемкость дизельного двигателя обычно боль­ше. Тем не менее, дизельные двигатели находят все большее применение в автомобилестроении.

Описанные выше двигатели с принудительным зажиганием и дизели называют четырехтактными: за один оборот колен­чатого вала происходят впуск и сжатие, за следующий обо­рот—расширение и выпуск. Но существуют и двухтактные дви­гатели, у них некоторые процессы совмещены, и весь цикл про­текает за один оборот коленчатого вала. В конце такта расши­рения открывается выпускное окно, куда выводятся отработавшие газы, и затем открывается впускное окно, через которое в цилиндр поступает горючая смесь или воздух (в ди­зеле). Поршень доходит до нижней мертвой точки и начинает подниматься вверх, перекрывает впускное и выпускное окна, и смесь или воздух в цилиндре сжимается. Перед подходом поршня к верхней мертвой точке в камеру сгорания подается искра или с помощью форсунки впрыскивается топливо (в ди­зелях); вновь начинается процесс расширения. Такие двухтакт­ные двигатели устанавливают на мотоциклах, на моторных лод­ках и в других видах техники. Эти двигатели менее экономичны, чем четырехтактные, но они имеют и преимущества.

Роторно-поршневой двигатель. Для роторно-поршневого двигателя топливовоздушная смесь готовится в карбюраторе, поэтому он относится к двигателям с внешним смесеобразованием. В качестве горючего применяется топливо с большим содержанием легких фракций углеводородов — бензин.

Принципиальная схема роторно-поршневого двигателя приведена на рис. 3.

В рабочий цилиндр 1 двигателя, имеющий сложную овальную форму, помещен трехгранный ротор 5, вращающийся на внутреннем эксцентрике 2. Вершины ротора имеют уплотнения со стенками цилиндра 7 и при его вращении безотрывно скользят по ним. Стороны ротора, имеющие выпуклые сфероидальные поверхности, образуют совместно со стенками цилиндра три замкнутые полости, в которых протекает рабочий цикл двигателя. Объем каждой серповидной полости за один оборот эксцентрика ротора изменяется дважды от минимального до максимального. Это свойство рабочих полостей используется для наполнения их рабочим телом в виде топливовоздушной смеси, ее воспламенения, расширения и выпуска продуктов сгорания. В полости, где протекает процесс горения и расширения, располагается свеча зажигания, которая создает электрическую искру в момент максимально сжатия топливовоздушной смеси. Вращение ротора происходит под действием разности давлений на его боковые поверхности со стороны рабочего тела серповидных полостях. В настоящее время роторно-поршневые двигатели не нашли широкого применения на железнодорожном транспорте главным образом из-за их малой мощности, однако в дальнейшем они могут иметь перспективны в автомобилестроении из-за простоты конструкции, малых габаритных размеров и массы.

Рис. 3. Схема роторно-поршневого двигателя:

1 — рабочий цилиндр; 2 — эксцентрик; 3 — выпускной коллектор; 4 — впускной коллектор; 5 — ротор; 6 — свеча зажигания; 7— уплотнение

Для анализа поршневых ДВС используют два основных теоретических цикла:

1. Цикл с подводом теплоты при постоянном объеме теоретический для карбюраторных и газовых двигателей.

2. Смешанный цикл с подводом теплоты при постоянном объеме и части теплоты при постоянном давлении теоретический цикл для безкомпрессорных дизелей.

Отвод теплоты у этих циклов осуществляется при постоянном объеме.

     Пример. Рассчитать к.п.д. двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при постоянном объеме, термодинамический цикл которого состоит из следующих процессов (см. рис. 3.5): 1-2 - изохорический подвод теплоты при сгорании топлива в цилиндре двигателя; 2-3 - адиабатическое расширение рабочего тела; 3-4 - изохорический отвод теплоты при выбросе отработанного газа в атмосферу; 4-1 - адиабатическое сжатие рабочего тела. Подвод теплоты производится при постоянном объеме  , а отвод - при объеме  . Считать, что рабочее тело можно рассматривать как идеальный газ с показателем адиабаты, равным  .

Рис. 3.5. Термодинамический цикл двигателя внутреннего сгорания

     Решение: В соответствии с выражениями (2.55) и (2.61) подведенная и отведенная в изохорических процессах 1-2 и 3-4 теплота может быть определена по формулам:

     

 ,

     

 .

     Тогда на основании выражения (3.2) имеем:

     

 .

     Использование формулы (2.86) для адиабатических процессов 2-3 и 4-1 позволяет получить следующие соотношения:

     

 ,

     

 .

     Подстановка полученных из этих формул выражений для температур   и   в выражение для к.п.д. дает

     

 .

     Таким образом, к.п.д. двигателя внутреннего сгорания зависит от отношения объемов рабочего тела  , которое называется степенью сжатия и является одной из основных характеристик двигателя.