4. Четырехтактный цикл двигателя

Как было указано выше, рабочий цикл в таких двигателях осуществляется за четыре хода поршня ( два оборота коленчатого вала )или за 4 такта.Вид индикаторных диаграмм бензинового двигателя и дизеля приведен на рис.4.1 и рис.4.2.

Первый такт-впуск–r-a происходит при перемещении поршня от верхней мертвой точки к нижней. Назначение такта – обеспечить максимально возможное наполнение цилиндра свежим зарядом. Поступающий свежий заряд соприкасается с нагретыми стенками цилиндра, а также смешивается с остаточными газами и подогревается до температуры 330-380К.

Наполнение цилиндров свежим зарядом оценивается коэффициентом наполнения, равным отношению количества свежего заряда, поступившего в цилиндр к моменту закрытия наполнительного клапана, к количеству заряда, которое могло разместиться в рабочем объеме цилиндра при температуре и давлении перед впускным клапаном. Вследствие аэродинамических сопротивлений впускного трубопровода, впускного клапана и др. коэффициент наполнения всегда меньше единицы. Для номинального режима значения коэффициента наполнения у выполненных двигателей приведены в таблице 4.1.Так как мощность зависит от коэффициента наполнения, то для его увеличения принимают ряд мер: проходное сечение впускного клапана делают большим проходного сечения выпускного, увеличивают число впускных и выпускных клапанов, подбирают углы открытия и закрытия клапанов такими, чтобы обеспечивалось дополнительное поступление свежего заряда и более полное удаление отработавших газов из цилиндра, применяют переменные фазы газораспределения. В случае переменных фаз газораспределения достигают наибольшего использования кинетической энергии свежего заряда при повышенной частоте вращения за счет более позднего закрытия впускного клапана и предотвращается потеря заряда при малой частоте вращения коленчатого вала. С целью улучшения характера протекания коэффициента наполнения от частоты вращения на двигателях применяют впускные трубопроводы переменной длины.

Рис.4.1. Индикаторная диаграмма Рис.4.2. Индикаторная диаграмма двигателя с воспламенением двигателя с воспламенением от

от искры температуры заряда в конце сжатия

Таблица 4.1

Значения коэффициента наполнения на номинальном режиме

Типы двигателей	Коэффициент наполнения
Двигатели с электронным впрыском	0,8 – 0,96
Карбюраторные двигатели	0,7-0,9
Дизели без наддува,	0,8-0,94
Дизели с наддувом	0,8 – 0,97

При малой частоте вращения свежий заряд идет по длинному трубопроводу, а при повышенной частоте вращения по короткому. Это позволяет получить увеличение наполнения цилиндра при малой частоте вращения за счет повышения массы воздушного потока, а во втором – уменьшить потери на преодоление сопротивлений во впускном трубопроводе. Ниже эти схемы наполнения рассмотрены более подробно.

Более высокие значения коэффициента наполнения бензиновых двигателей с впрыском топлива, в сравнении с карбюраторными, объясняются отсутствием дополнительного сопротивления в виде карбюратора.

Коэффициент наполнения дизелей выше, чем у бензиновых двигателей из-за отсутствия дроссельной заслонки. Применение наддува в двигателях также приводит к повышению коэффициента наполнения вследствие уменьшения относительной доли потерь на преодоление сопротивлений при движении свежего заряда.

Второй такт – сжатие а – c происходит при перемещении поршня от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ). В начале хода сжатия, пока давление в цилиндре ниже давления окружающей среды, происходит одновременно поджатие свежего заряда и дополнительное поступление заряда, либо, при определенных условиях, часть заряда может покидать цилиндр, т.е. будет происходить потеря заряда. Состояние рабочего тела в конце сжатия определяется величиной степени сжатия, давлением начала сжатия р_а, качеством уплотнения цилиндра. Чтобы сгорание происходило наиболее эффективно оно должно быть организовано таким образом, чтобы процесс подвода теплоты заканчивался через 10 – 15⁰ поворота коленчатого вала (ПКВ) после ВМТ. С этой целью подача искры или впрыск топлива (дизель) производится с опережением, т.е. за определенное число градусов до прихода поршня в ВМТ. У выполненных двигателей угол опережения зажигания (впрыска) для номинального режима составляет 20 – 30⁰ ПКВ. В конце сжатия начинается горение топлива, что сопровождается резким повышением давления в цилиндре.

Третий такт сгорание-расширение-с-z-b – происходит понижение давление газов в цилиндре и на этом такте совершается полезная работа. Ход поршня, соответствующий такту расширения и связанный с выделением тепла и частичным превращением его в механическую работу, называется рабочим ходом. Максимальная величина давления газов достигает: у бензиновых двигателей 3,5 – 7,5 МПа; дизелей – 5,0 –12 МПа; газовых двигателей – 3,0 – 5,0 МПа. В конце такта расширения для уменьшения затрат на выталкивание отработавших газов открытие выпускного клапана осуществляется с опережением за 30 – 70⁰ до прихода поршня в НМТ. Вследствие большого перепада давления газов в цилиндре и в выпускном коллекторе из цилиндра удаляется до 70 % отработавших газов.

Четвертый такт – выпуск отработавших газов b-r. За ход выпуска поршень выталкивает отработавшие газы из цилиндра. Из-за сопротивлений в клапанной щели и выпускном трубопроводе давление в цилиндре за время выпуска остается выше атмосферного и составляет 0,105 – 0,12МПа. В начале хода впуска давление в цилиндре выше атмосферного, поэтому выпускной клапан остается открытым примерно 10 - 15⁰ после ВМТ. Таким образом, между двумя смежными рабочими циклами одновременно бывают открыты и впускной и выпускной клапаны. Такое положение называют перекрытием клапанов. В дизелях с наддувом угол перекрытия клапанов может составлять 70 - 150⁰ .За время перекрытия клапанов происходит продувка цилиндра свежим зарядом и понижение температуры деталей цилиндра.

Таким образом, четырехтактные двигатели только половину времени работают как тепловые двигатели. Однако из-за высокой экономичности они в настоящее время наиболее распространены.