7. Принцип работы поршневого двс

В поршневом ДВС преобразование тепловой энергии в механическую совершается при непрерывном изменении состояния рабочего тела (газа). Все эти изменения в 4-тактном двигателе можно представить в виде пяти самостоятельных последовательно чередующихся процессов (рис.1).

Вначале цилиндр двигателя заполняется свежей топливовоздушной смесью (ТВС),- происходит процесс впуска (рис.2, а). В процессе впуска при движении поршня 3 от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ) объем над поршнем увеличивается, давление в цилиндре уменьшается, и ТВС через открытый впускной клапан поступает в цилиндр. Впуск ТВС продолжается до момента прихода поршня в НМТ, после чего впускной клапан закрывается (в действительности моменты открытия и закрытия клапанов впуска и выпуска не совпадают с положениями поршня в ВМТ и НМТ, о чем будет сказано ниже).

Рис.2. Принцип работы 4-тактного поршневого ДВС

1 - клапан впуска; 2 – клапан выпуска; 3 – поршень; 4 – шатун; 5 – кривошип

Затем ТВС сжимается. При этом поршень двигается от НМТ к ВМТ. Клапаны впуска и выпуска в этом процессе закрыты (рис.2, б). Если в конце впуска ТВС занимала полный объем цилиндра V_a, то в конце процесса сжатия объем ТВС становится равным объему камеры сжатия V_c.

Около ВМТ смесь поджигается и сгорает, что сопровождается выделением большого количества тепла, повышением температуры и давления продуктов сгорания. В конце процесса сгорания давление в цилиндре достигает 50-75 кг/см².

Под действием высокого давления поршень движется от ВМТ к НМТ. Газы расширяются и производят полезную работу. Этот процесс называется процессом расширения (рис.2, в). Расширение газов продолжается до момента прихода поршня в НМТ. В этот же момент механизм газораспределения открывает выпускной клапан.

После процесса расширения следует процесс выпуска (рис.2, г). При движении поршня обратно к ВМТ цилиндр очищается от продуктов сгорания и подготавливается к очередному наполнению свежей ТВС и к повторению перечисленных выше процессов. Выпуск продуктов сгорания продолжается до прихода поршня в ВМТ, после чего механизм газораспределения закрывает выпускной клапан. После процесса выпуска снова открывается впускной клапан и начинается процесс впуска - и т. д.

Таким образом, рабочее тело (газы) в цилиндре двигателя совершает определенный круг процессов, возвращаясь каждый раз в первоначальное состояние. Совокупность всех процессов, по завершении которых вновь начинается их повторение, называется циклом двигателя.

Часть цикла, соответствующая одному ходу поршня (от одной мертвой точки до другой мертвой точки), называется тактом. В зависимости от устройства двигателя цикл может совершаться за два такта (за один оборот коленчатого вала) или за четыре такта (за два оборота коленчатого вала).

Все поршневые ДВС по числу тактов в каждом цикле делятся на два класса: 4-тактные и 2-тактные двигатели. В четырехтактном двигателе такты чередуются в следующем порядке:

1. Такт впуска - поршень движется от ВМТ к НМТ; клапаны впуска открыты, а клапаны выпуска закрыты; в цилиндр поступает свежая ТВС.

2. Такт сжатия – поршень движется от НМТ к ВМТ; клапаны впуска и выпуска закрыты; ТВС в цилиндре сжимается и около ВМТ воспламеняется и сгорает.

3. Такт расширения – газы, имеющие высокие температуру и давление, расширяются и перемещают поршень от ВМТ к НМТ. В этом такте совершается полезная работа, происходит передача работы от газа к поршню, поэтому такт расширения называют также рабочим ходом.

4. Такт выпуска – поршень движется от НМТ к ВМТ, клапаны выпуска открыты, а клапаны впуска закрыты, продукты сгорания выталкиваются поршнем из цилиндра.

Передача работы от газа в цилиндре двигателя к выходному валу ДВС производится при помощи кривошипно-шатунного механизма (рис. 2), преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

При перемещении поршня изменяется объем газа внутри цилиндра. Объем, занимаемый газом в цилиндре при положении поршня в ВМТ, называется объемом камеры сгорания (камеры сжатия), обозначается V_c. Объем, занимаемый газом в цилиндре при положении поршня в НМТ, называется полным объемом цилиндра, обозначается V_a. Объем, описываемый поршнем при его движении между мертвыми точками, называется рабочим объемом цилиндра, обозначается V_h, причем V_a = V_h + V_c. Объем цилиндра принято выражать в литрах. Рабочий объем всех цилиндров двигателя называется литражом двигателя. Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия: ε = V_a/V_c. В современных бензиновых авиадвигателях степень сжатия лежит в пределах ε = 5,5-7,5.

Рис. 3. Схема кривошипно-шатунного механизма.