Четырех тактный двигатель, устройство и принцип работы

4. Четырех тактный двигатель, устройство и принцип работы

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд  последовательных процессов, протекающих  в каждом цилиндре двигателя и  обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу.

Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырёхтактному  циклу, который совершается за два  оборота коленчатого вала или  четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и  выпуска.

В карбюраторном четырёхтактном двигателе  рабочий цикл происходит следующим  образом.

Рабочий цикл карбюраторного двигателя 
Такт впуска 
В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь.

Такт сжатия 
Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия. Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако, для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с большим октановым числом, которое дороже. 
Такт расширения, или рабочий ход

Незадолго до конца цикла сжатия топливо-воздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы сгорание топлива успело, полностью закончится к моменту достижения поршнем НМТ, то есть для наиболее эффективной работы двигателя. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором, воздействующим на прерыватель). В современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику.

Видео наглядно демонстрирует процесс  работы четырехтактного двигателя 

Такт выпуска 
После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, и цикл начинается сначала.

Полностью очистить цилиндры двигателя  от продуктов сгорания практически  невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемещается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью.

Коэффициент остаточных газов характеризует  степень загрязнения свежего  заряда отработавшими газами и представляет собой отношение массы продуктов  сгорания, оставшихся в цилиндре, к массе свежей горючей смеси. Для современных карбюраторных двигателей коэффициент остаточных газов находится в пределах 0,06-0,12.

По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска  являются вспомогательными. 
 
Рабочий цикл дизельного двигателя 
Рабочие циклы четырёхтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно различаются по способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Основное отличие состоит в том, что в цилиндр дизеля при такте впуска поступает не горючая смесь, а воздух, который из–за большой степени сжатия нагревается до высокой температуры, а затем в него впрыскивается мелкораспылённое топливо, которое под действием высокой температуры воздуха самовоспламеняется.

В четырёхтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом. 
 
Такт впуска 
При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. 
Такт сжатия

Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх  поршень сжимает имеющийся в  цилиндре воздух. Для воспламенения  топлива необходимо, чтобы температура  сжатого воздуха была выше температуры  самовоспламенения топлива. 
 
Такт расширения, или рабочий ход 
При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом. Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Происходит рабочий ход. 
 
Такт выпуска 
Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

На этом видео показано работу реального  двигателя, камера встроена в цилиндр  двс 

Недостатки четырёхтактных двигателей: 
Все холостые ходы (впуск, сжатие, выпуск) совершаются за счёт кинетической энергии, запасённой коленчатым валом и связанными с ним деталями во время рабочего хода, в процессе которого химическая энергия топлива превращается в механическую энергию движущихся частей двигателя. Поскольку сгорание происходит в доли сек, то оно сопровождается быстрым увеличением нагрузки на крышку (головку) цилиндра, поршень и другие детали двигателя. Наличие такой нагрузки неизбежно приводит к необходимости увеличить массу движущихся деталей (для повышения прочности), что в свою очередь сопровождается ростом инерционных нагрузок на движущиеся детали. Уступают по мощности двухтактным. 
К незначительным недостаткам, которые с лихвой окупаются достоинствами, можно отнести работы по регулировке теплового зазора клапанов и время разгона с места, которое несколько больше, чем у двухтактных.

Преимущества четырёхтактных двигателей: 
-экономичность расхода топлива; 
-надежность; 
-простота обслуживания; 
-четырехтактный двигатель работает тише и устойчивей.

В отличие от двухтактного двигателя, в котором смазка коленвала, подшипников коленвала, компрессионных колец, поршня, пальца поршня и цилиндра осуществляется благодаря добавлению масла в топливо; коленвал четырехтакного двигателя находится в маслянной ванне. Благодаря этому Вам не надо смешивать бензин с маслом или доливать масло в специальный бачок. Достаточно залить чистый бензин в топливный бак и можно ехать, при этом отпадает необходимость покупки специального масла для 2-тактных двигателей.

Так же на зеркале поршня и стенках  глушителя и выхлопной трубы  образуется значительно меньше нагара. К тому же, в 2-тактном двигателе  происходит выброс топливной смеси  в выхлопную трубу, что объясняется  его конструкцией.

В процессе сгорания химическая энергия топлива превращается в тепловую. Это превращение осуществляется в течение некоторого промежутка времени, когда поршень находится вблизи в. м. т.

Эффективность протекания процесса сгорания зависит от большого количества факторов и прежде всего от способа смесеобразования и воспламенения топлива. Поэтому в отличие от процессов газообмена и сжатия процесс сгорания необходимо рассматривать отдельно для двигателей с искровым зажиганием и дизелей.

Процесс горения  топлива, его развитие и полное завершение в короткий срок представляют собой  ряд сложных последовательных реакций.

Если температура  рабочей смеси в начальный  момент реакции сгорания низкая, то реакции кислорода с топливом практически не происходит. При высоких  температурах скорость этой реакции  возрастает и процесс сгорания происходит очень быстро 1.

Опыты показали, что  скорость реакции зависит от состава горючей смеси, т. е. от коэффициента избытка воздуха, а воспламенение однородной горючей смеси возможно в определенных пределах изменения коэффициента избытка воздуха. За пределами этих значений коэффициента избытка воздуха воспламенить однородную смесь невозможно.

Наименьший коэффициент избытка воздуха ccmin, при котором можно воспламенить смесь, называют верхним концентрационным пределом распространения пламени. Наибольший коэффициент избытка воздуха amax, при котором еще можно воспламенить смесь, называют нижним концентрационным пределом распространения пламени.

Показано изменение  скорости распространения пламени  ин при сгорании смеси некоторых  топлив с воздухом в зависимости  от коэффициента избытка воздуха. В  применяемых для двигателей углеводородных топливах наибольшие скорости имеют смеси при а = 0,85 -=- 0,9. Дальнейшее обогащение или обеднение смеси приводит к плавному снижению скорости распространения пламени до такого значения, при котором смесь не воспламеняется. При повышении температуры в момент воспламенения топлива ин увеличивается (пропорционально квадрату температуры), при повышении давления — несколько снижается.

В двигателях с  внешним смесеобразованием и  искровым зажиганием горючая смесь, состоящая из горючего газа или паров  жидкого топлива и воздуха, практически однородна и ее воспламенить за пределами воспламеняемости невозможно.

При наличии в  смеси остаточных газов пределы  воспламеняемости сужаются. Поэтому  в карбюраторных двигателях при  изменении нагрузки необходимо одновременно изменять количество поступающего в  цилиндр топлива и воздуха  так, чтобы при всех нагрузках  горючая смесь находилась в пределах воспламеняемости. Количество поступающей  в цилиндр горючей смеси в  карбюраторном двигателе регулируется изменением положения дроссельной  заслонки при одновременном изменении  в узких пределах (а = 0,85 н – 1,15) состава горючей смеси в зависимости  от нагрузки. Такое количественное регулирование состава смеси, когда при прикрытой дроссельной заслонке приходится использовать богатую смесь,снижает экономичность двигателя.

В действительном цикле, где сгорание происходит за некоторыйпромежутоквремени(около0,001сек),поршень успевает несколько переместиться от в. м. т. За период сгорания коленчатый вал поворачивается на 15—25°.

Показана индикаторная диаграмма процессов сгорания и  расширения четырехтактного карбюраторного двигателя с характерными точками  цикла. Штриховыми линиями изображены процесс расширения, соответствующий  случаю, когда электрическая искра  в камеру сгорания не подавалась и  топливо не воспламенялось, процесс  подвода теплоты на участке cz (V= const) и начало расширения на участке zzxдиаграммы в теоретическом цикле.

Для быстрого сгорания рабочей смеси вблизи в. м. т., при  котором достигается наилучшее  использование теплоты, необходимо в камеру сгорания подать электрическую  искру в тот момент, когда коленчатый вал на несколько градусов не доходит  до в. м. т. Угол поворота коленчатого  вала, соответствующий проскакиванию  искры до в. м. т., называют углом опережения зажигания и обозначают через  фа. В зоне проскакивания искры она оказывает тепловое и электрическое воздействие на рабочую смесь. Если рабочая смесь находится в пределах воспламеняемости, возникает очаг воспламенения.

Опыты показали, что  видимое пламя появляется не мгновенно  в момент проскакивания искры, так  как для его образования и  химической подготовки смеси к сгоранию требуется некоторый промежуток времени, равный тысячным долям секунды. При проведенииэкспериментов,уголопережениябылвыбраннаивыгоднейший (20° до в. м. т.), который обеспечивает при данном скоростном режиме оптимальные показатели двигателя.

Несмотря на то, что электрическая искра иодавалась в камеру сгорания в точке 1, повышение давления от точки 1 до точки 2 происходит так, как если бы искра не проскакивала. При фотографировании камеры в этот период времени не обнаружено видимого процесса сгорания. В точке 2, соответствующей углу поворота коленчатого вала 8° до в. м. т. заметно начало резкого повышения давления. С этого момента в связи с расширением фронта пламени количество выделившейся теплоты резко увеличивается, что приводит к заметному повышению давления и температуры. Наибольшее давление было достигнуто при ф = 11° после в. м. т.

Анализ процесса сгорания по индикаторной диаграмме  показывает, что максимальная температура цикла достигается не при наибольшем давлении, а несколько позже. Это объясняется тем, что интенсивный процесс сгорания продолжается еще после того, как давление достигнет максимального значения. Однако вследствие движения поршня с возрастающей скоростью и происходящего при этом расширения газов давление начинает уменьшаться, чему способствует также увеличивающаяся отдача теплоты от газов к стенкам.

Наблюдение за развитием  процесса сгорания в двигателе с  искровым зажиганием можно вести  несколькими способами. Наиболее наглядным  из них является фотографирование процесса через специально вмонтированные в  головку цилиндров кварцевые  окна, способные выдержать высокие  давления и температуру.

При фотографировании различных периодов процесса сгорания в камере сгорания обнаружено наличие  светящегося контура, отделяющего  сгоревшую смесь от несгоревшей. Этот контур, называемый фронтом пламени, представляет собой тонкий слой смеси, в котором развиваются реакции сгорания.

Развитие процесса сгорания на основании обработки результатов фотографирования камеры сгорания через весьма короткие промежутки времени, соответствующие повороту коленчатого вала примерно на 2°, показано на рис. 54, б.

Волнообразными  линиями изображен фронт распространения  пламени при соответствующем  угле поворота коленчатого вала дляслучая,когдаотсутствует направленное движениезаряда.

Окончание процесса видимого сгорания было зафиксировано при повороте коленчатого вала на 14—16° после в. м. т.

Показано среднее  значение скорости распространения  пламени ин в зоне, где происходит наиболее интенсивное развитие процесса сгорания (средняя зона камеры сгорания). К концу процесса, развивающегося в пристеночных слоях и в зонах, где нет интенсивного движения заряда, скорость существенно снижается.

При наличии направленного  движения заряда развитие процесса значительно  ускоряется. В современных быстроходных автомобильных двигателях скорость распространения пламени в средней  зоне камеры достигает 60 м/сек.

Процесс сгорания можно разделить на три фазы:

Первая фаза — от момента проскакивания электрической искры до начала резкого повышения давления по индикаторной диаграмме характеризуется углом 6jи называется начальной фазой сгорания. Она включает период, в течение которого возникает небольшой очаг горения в зоне высоких температур между электродами свечи (в момент разряда температура достигает примерно 10 000° К), и период появления видимого начального очага воспламенения. За время, соответствующее первой фазе, сгорает 6—8% горючей смеси.