3.3. Принцип действия четырехтактных двс

На рис. 23 показана схема рабочих процессов четырехтактного двигателя – реальный цикл, по которому работают двигатели подобного типа.

Возьмем за исходное положение поршня в ВМТ и считаем, что в точке r открылся впускной клапан (до этой точки цилиндр очистился от продуктов сгорания, в нем почти ничего нет, поэтому давление маленькое).

Рис. 23. Схема рабочих процессов четырехтактного двигателя

Поршень совершает движение от ВМТ к НМТ и так как впускной клапан открыт, воздух подается в цилиндр компрессором (если двигатель с наддувом)при р = 0,13÷0,39 МПа и t = 40÷130°С – совершается процесс всасывания r–a. После НМТ поршень, двигаясь в ВМТ, совершает сжатие воздуха а–с, в конце которого параметры рабочего тела составляют р = 4,5÷8 МПа и t = 530÷730°С.

Перед подходом поршня к ВМТ через форсунку в цилиндр впрыскивается порция распыленного топлива. Механизм самовоспламенения топлива и его горения (процесс с–z) заключается в следующем. Мельчайшие капельки топлива обладают большой межфазовой поверхностью (чем на большее количество капелек разбивается порция топлива, тем больше суммарная поверхность этих капель), с которой при высокой температуре начинается испарение легких фракций топлива. Получается, что каждая капелька оказывается окруженной облаком паров бензина, которые легко воспламеняются (процесс после точки с). Осуществляется относительно «быстрое» горение топлива, после чего продолжается относительно «медленное» догорание оставшейся части капель топлива (процесс уходит вправо от вертикали). Естественно, все описанные составляющие процесса горения длятся доли секунды. Температура и давление в процессе горения топлива доходят до р_z = 6÷14 МПа и t_z = 1450÷1730°С.

Далее осуществляется адиабатное расширение продуктов сгорания z–b, называемое рабочим ходом. Температура и давление продуктов сгорания уменьшаются до р_b ≈ 0,35÷0,8 МПа и t_b = 630÷930°С. Открывается выхлопной клапан и поршень движется из НМТ к ВМТ – осуществляется выхлоп b–r. Цикл на этом завершается.

Штриховой показан угол поворота коленчатого вала, в течении которого осуществляется каждый процесс (см. §3.4).

Таким образом, весь рабочий процесс четырехтактного двигателя совершается в течение четырех ходов поршня или двух оборотов коленчатого вала. При этом только один ход поршня является рабочим, а вращение вала и остальные ходы поршня осуществляются за счет работы остальных цилиндров (двигатели редко бывают одноцилиндровыми) и за счет запаса энергии, накопленной маховиком. Поэтому чем меньше цилиндров имеет двигатель, тем более массивным должен быть маховик.

3.4. Газораспределение четырехтактных дизелей

Впуск в цилиндр свежего воздуха и выпуск отработавших продуктов сгорания осуществляют впускные и выпускные клапана. Это обычно клапана тарельчатого типа, которые открываются внутрь цилиндров.

Механизм привода клапана показан на рис. 24.

На распределительном валу 7 находится кулачковая шайба 6. При набегании выступа шайбы на ролик 5 штанга 4 движется верх. Верхний конец штанги при этом давит на упор 1 левого конца клапанного рычага коромысла 2, правый конец которого давит на тарелку 3 штока клапана и открывает его. Когда выступ кулачковой шайбы уходит от ролика рычага 8, клапан закрывается под действием пружины.

Внекоторых типах двухтактных двигателей отработавшие газы выпускаются через клапаны значительных размеров. Из-за значительных усилий привод таких клапанов делают гидравлическим.

Как следует из рассмотрения индикаторной диаграммы и теоретических циклов ДВС, впускные и выпускные клапаны должны открываться и закрываться в мертвых точках. Фактически же все клапаны открываются с опережением, а закрываются с запаздыванием (т.е. с опережением – это когда поршень еще не дошел до мертвой точки, а с запаздыванием – когда поршень уже прошел мертвую точку). Для удобства оценки этого опережения или запаздывания применяется круговая диаграмма фаз газораспределения, на которой это несовпадение показывают градусы поворота коленвала.

Как уже было отмечено, в четырехтактном двигателе цикл осуществляется в течение двух поворотов коленвала, поэтому круговую диаграмму (для удобства нанесения обозначений) выполняют спиральной (рис. 25).

Из диаграммы видно, что впускной клапан открывается с опережением_вп, что составляет 18÷30° по углу поворота коленвала. За счет этого обеспечивается лучшее подсасывание свежего заряда воздуха за счет инерции столба отработавших продуктов сгорания – не следует забывать, что в это же время заканчивается четвертый такт – выхлоп, т.е. выхлопной клапан открыт – об этом ниже.

Закрывается впускной клапан обычно с запаздыванием на 18÷45° после НМТ (угол δ_вп) для увеличения продолжительности заполнении цилиндра свежим воздухом.

После заполнения цилиндра сжатым воздухом начинается сжатие, в конце которого в цилиндр впрыскивается топливо. Для обеспечения перемешивания распыленного топлива с воздухом топливо подается в цилиндр до прихода поршня в ВМТ с углом опережения ≈10÷30° по углу поворота коленчатого вала. В этом случае самовоспламенение топливной смеси произойдет в ВМТ. Очевидно, что с увеличением частоты вращения коленвала этот угол должен тоже увеличиваться (если этого не произойдет, процесс самовоспламенения будет происходить все дальше за ВМТ). Это изменение опережения подачи топлива в дизелях стало возможно только в последних «интеллектуальных» двигателях с компьютерным управлением процессом впрыска топлива. На автомобильных двигателях, в которых сжимается топливная смесь (смесь карбюрированного топлива с воздухом всасывается в цилиндр в первом такте), давно используется вакуумное опережение зажигания – чем больше обороты, тем больше вакуум во всасывающем патрубке и тем больше разворачивается корпус распределителя зажигания навстречу вращающемуся бегунку, вызывающему искру. Искра подается тем раньше, чем больше частота вращения.

Из круговой диаграммы также видно, что после расширения продуктов сгорания выпускной клапан открывается до НМТ с углом опережения открытия Δ_вып, который закрывается после ВМТ с углом запаздывания δ_вып.

Из круговой диаграммы также видно, что в течение некоторого времени открыты одновременно и впускной (на угол _вп) и выпускной (на угол δ_вып) клапаны, что, как было отмечено ранее, позволяет использовать подсасывающее действие движущегося столба отработавших газов в выпускном тракте, что улучшит очистку цилиндра и его заполнение свежим воздухом.