2. Принцип работы и термодинамические циклы поршневых двигателей

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС), в которых в результате сжатия в цилиндре происходит воспламенение топлива, называются двигателями с воспламенением от сжатия или дизелями. ДВС, в которых воспламенение заряда в цилиндре происходит принудительно от электрической искры, называются двигателями с искровым зажиганием. В двигателях с искровым зажиганием получение заряда из топливовоздушной смеси может происходить как до поступления ее в цилиндр (внешнее смесеобразование), так и непосредственно в цилиндре (внутреннее смесеобразование).

Принцип работы четырехтактного ДВС показан на рис 2.1, а на рис. 2.2 – схема его рабочего цикла, который осуществляется за два оборота коленчатого вала.

Рис. 2.1. Работа четырехтактного ДВС:

а – впуск заряда в цилиндр; б – сжатие заряда; в – воспламенение заряда и расширение (рабочий ход); г – выпуск продуктов сгорания

В цилиндре 1 ДВС расположен поршень 2, совершающий возвратно-поступательное движение от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ). Для этого поршень 2 соединен через шатун 3 с кривошипом 4 коленчатого вала, совершающего вращательное движение.

Рис. 2.2. Схема рабочего цикла поршневого ДВС:

а – впуск; б – сжатие; в – рабочий ход; г – выпуск

В начале впуска (точка r) поршень 2 движется в цилиндре 1 к ВМТ при открытом впускном клапане 5 и в цилиндр 1 начинает поступать свежий заряд. Впускной клапан 5 и выпускной клапан 6 приводятся в действие механизмом газораспределения, соединенного в большинстве случаев с коленчатым валом так, что каждый клапан открывается один раз за два оборота коленчатого вала. При перемещении поршня 2 от ВМТ и НМТ (процесс r – a) в цилиндр 1 поступает свежий заряд с расходом G_В. Поскольку впускная система ДВС обладает гидравлическим сопротивлением, давление р_а в цилиндре 1 в конце впуска будет на 0,01 – 0,03 МПа меньше давления заряда р_о во впускной системе ДВС. В ДВС с наддувом давление р_к будет больше атмосферного давления р_о и в зависимости от степени наддува может достигать р_к = 0,15 – 0,5 МПа и более.

При движении поршня 2 от НМТ к ВМТ происходит второй такт - сжатие заряда (процесс а – с), при котором температура и давление в цилиндре 1 увеличиваются. При некотором перемещении поршня 2 (точка m) давление в цилиндре 1 становится равным р_к. Поскольку свежий заряд уже не может поступать в цилиндр 1, закрывается впускной клапан 5. Таким образом, закрытие клапана 5 происходит с некоторым запаздыванием после прохождения поршнем 2 НМТ. Значения температуры Т_с и давления р_с в конце сжатия зависят от давления р_а, температуры Т_а в начале сжатия, степени сжатия ε в цилиндре 1, герметичности и теплоотдачи в его стенки.

Третий такт - сгорание и расширение (процесс с – z – b) происходит при движении поршня 2 от ВМТ к НМТ. Для лучшего использования теплоты, выделяющейся при сгорании топлива, необходимо, чтобы сгорание закончилось в положении поршня 2 близком к ВМТ, поскольку на процессы внутреннего смесеобразования и самого сгорания требуется определенное время. Поэтому впрыск топлива в свежий заряд цилиндра (дизель) или воспламенение заряда в цилиндре свечей (двигатель с искровым зажиганием) производят в точке до подхода поршня 2 к ВМТ, т.е. с некоторым опережением. Во время расширения в цилиндре 1 продукты сгорания совершают полезную работу, поэтому третий такт обычно называют рабочим ходом.

В конце такта расширения открывается выпускной клапан 6 (точка b) и начинается такт - выпуск (процесс b – r – n). Перемещаясь от НМТ к ВМТ поршень 2, вытесняет отработавшие газы с расходом G_Г из цилиндра 1. Для улучшения очистки цилиндра 1 от остаточных газов впускной клапан 5 открывается точке r, т.е. несколько раньше, чем поршень 2 дойдет до ВМТ, а закрытие выпускного клапана 6 происходит в точке n, т.е. после прохождения поршня положения ВМТ.

Примерные значения фаз газораспределения в четырехтактных ДВС показаны в табл. 2.1.

Таблица 2.1.

Фазы газораспределения (в градусах поворота кривошипа вала)

ДВС	Выпускной клапан		Впускной клапан		Перекрытие клапанов
	φо.в	φз.в	φо.вп	φз.вп
Бензиновые	50 - 75	15 - 45	15 - 30	45 - 70	30 - 60
Дизели: без наддува; с наддувом	40 – 60 40 - 60	15 – 25 40 - 60	15 – 20 50 - 80	30 – 50 40 – 50	20 – 40 60 - 140

На рис. 2.3. показана диаграмма открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов в четырехтактном ДВС.

Рис. 2.3. Изменение площадей проходных сечений впускного f_вп

и выпускного f_в клапанов:

I – свободный выпуск; II – выпуск; III – перекрытие клапанов (продувка); IV – наполнение; V – дозарядка цилиндра

В двухтактных ДВС рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала, т.е. в два раза чаще по сравнению с четырехтактным циклом при одинаковой частоте вращения коленчатого вала. Особенностью двухтактного двигателя является то, что очистка цилиндра от продуктов сгорания осуществляется путем вытеснения их предварительно сжатым воздухом или горючей смесью в специальном компрессоре, в качестве которого может быть использована кривошипная камера или поршень двигателя (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Схема двухтактного ДВС с кривошипно-камерной продувкой:

1 – кривошипная камера; 2 – продувочный канал; 3 – цилиндр;

4 – поршень; 5 – шатун; 6 – кривошип; 7 – выпускной патрубок;

8 – впускной патрубок; 9 – лепестковый клапан

На рис. 2.5 показана индикаторные диаграммы цикла двухтактного двигателя.

Рис. 2.5. Индикаторная диаграмма двухтактного двигателя:

а – первый такт; б – второй такт

В цилиндре двухтактного ДВС только что произошло сгорание и первый такт - расширение газов осуществляется при ходе поршня 4 от ВМТ до НМТ (рис. 2.4а) по линии с - m (рис. 2.5а). Несколько раньше подхода поршня 4 к продувочному каналу 2 открывается выпускной патрубок 7, продукты сгорания вытекают из цилиндра 3 и давление в цилиндре 3 снижается (процесс m – n на рис. 2.5). Поршень 4, при своем дальнейшем движении, открывает продувочный канал 2 (точка n), из которого свежий заряд воздуха или топливовоздушной смеси, сжатый в кривошипной камере 1, поступает в цилиндр 3, вытесняя продукты сгорания (процесс n – a на рис. 2.5). Таким образом, часть свежего заряда попадает в выпускной патрубок 7 и выходит из цилиндра 3 вместе с отработавшими газами (рис. 2.4б).

Второй такт соответствует ходу поршня 4 от НМТ к ВМТ и до закрытия выпускного патрубка 7 и продувочного канала 2 процесс газообмена в цилиндре 3 продолжается (рис. 2.4в) и его конец будет соответствовать точке к (процесс а – к на индикаторной диаграмме рис. 2.5б). Давление в кривошипной камере 1 снижается, а после открытия юбкой поршня 4 впускного патрубка 8 открывается лепестковый клапан 9 (лепесткового клапана 9 может и не быть) в кривошипную камеру 1 поступает свежий заряд. В это время в цилиндре происходит сжатие заряда от точки к до точки с (процесс а – с на рис. 2.5). В точке происходит воспламенение заряда или от свечи зажигания или впрыск топлива форсункой (дизель). Сгорание происходит вблизи ВМТ и заканчивается процессом расширения (рис. 2.4а).