2. Рабочие процессы четырехтактного двигателя с искровым зажиганием.

Рассмотрим сначала двигатель, рабочий цикл которого осуществляется за четыре такта или за два оборота коленчатого вала. Такой двигатель называют четырех­тактным. Рабочий цикл включает процессы :

— газообмена − выпуск отработавших газов и впуск свежего заряда;

— сжатия;

— сгорания;

— расширения.

Цилиндр такого двигателя закрыт крышкой, в которой расположены клапаны для впуска свежего заряда и выпуска продуктов сгорания (выпускных газов). Клапаны удерживаются в закрытом со­стоянии пружинами, а кроме того, давле­нием в цилиндре при процессах сжатия, сгорания и расширения. Открываются клапаны в нужные моменты с помощью газораспределительного механизма.

Рабочий цикл в четырехтактном двига­теле происходит следующим образом (рис. 4).

Рисунок 4 Рабочий цикл в четырехтактном двига­теле

Первый такт − впуск. В начале первого такта поршень находится в положении, близком к ВМТ. Камера сгорания запол­нена продуктами сгорания от предыдуще­го процесса, давление которых несколько больше атмосферного. На индикаторной диаграмме начальному положению порш­ня соответствует точка r (рис. 4, а). При вращении коленчатого вала (в направле­нии стрелки) шатун перемещает поршень к НМТ, а распределительный механизм открывает впускной клапан и сообщает надпоршневое пространство цилиндра двигателя с впускным трубопроводом. В результате движения поршня к НМТ ци­линдр заполняется свежим зарядом (воз­духом или горючей смесью). При этом вследствие сопротивления впускной систе­мы и впускных клапанов давление в ци­линдре становится на 0,01...0,03 МПа меньше давления р_к перед впускными ор­ганами. На индикаторной диаграмме так­ту впуска соответствует линия r а.

Второй такт − сжатие. При обратном движении поршня к ВМТ (рис. 4, б) про­исходит сжатие поступившего в цилиндр заряда. Давление и температура сжимае­мого заряда повышаются, и при некотором перемещении поршня от НМТ давление в цилиндре становится равным давлению р_к впуска (точка m на индикаторной ди­аграмме). Для улучшения наполнения ци­линдра свежим зарядом впускной клапан некоторое время в начале такта сжатия продолжает оставаться открытым (до точ­ки m). Запаздывание закрытия впускного клапана (30...70 ° угла поворота коленча­того вала) позволяет использовать для дозаряда возникающий в цилиндре ваку­ум, а также кинетическую энергию столба воздуха, движущегося по впускному тру­бопроводу.

После закрытия клапана при дальней­шем перемещении поршня давление и тем­пература в цилиндре продолжают расти. Давление в конце сжатия (давление р_с в точке с) будет зависеть от степени сжа­тия, герметичности рабочей полости, теп­лообмена со стенками, а также от началь­ного давления р_а сжатия.

На воспламенение и сгорание топлива требуется некоторое время, хотя и очень незначительное. Для наилучшего использования теплоты, вы­деляющейся при сгорании, необходимо, чтобы сгорание топлива заканчивалось при положении поршня возможно близком к ВМТ. Поэтому воспламенение рабочей смеси от электрической искры в двигателе обычно производится до мо­мента достижения поршнем ВМТ, т. е. с некоторым опережением.

Таким образом, во время второго такта в цилиндре в основном производится сжа­тие заряда. Кроме того, в начале такта продолжается зарядка цилиндра, а в кон­це начинается горение топлива. На инди­каторной диаграмме второму такту соот­ветствует линия ас.

Третий такт − сгорание и расшире­ние − происходит при ходе поршня от ВМТ к НМТ (рис. 4,в).

В начале такта интенсивно горит топли­во, поступившее в цилиндр и подготовлен­ное к этому в конце второго такта. Вслед­ствие выделения большого количества теплоты температура и давление в цилинд­ре резко повышаются несмотря на некото­рое увеличение внутрицилиндрового объема (линия cz). Под действием давле­ния происходит дальнейшее перемещение поршня к НМТ и расширение газов. Во время расширения газы совершают полез­ную работу, поэтому третий такт называ­ют также рабочим ходом. На индикатор­ной диаграмме третьему такту соответ­ствует линия czb.

Четвертый такт − выпуск. Во время четвертого такта происходит очистка ци­линдра от выпускных газов (рис. 4, г). Поршень, перемещаясь от НМТ к ВМТ, вытесняет газы из цилиндра через откры­тый выпускной клапан. Выпускной клапан начинает открываться в тот момент, когда поршень не доходит до НМТ на 40...60° угла поворота коленчатого вала; давление газов в цилиндре бывает еще достаточно высоким. Вследствие этого уменьшается сопротивление движению поршня во вре­мя такта выпуска и улучшается очистка цилиндра. На индикаторной диаграмме четвертому такту соответствует линия bп.

Четвертым тактом заканчивается рабо­чий цикл. При дальнейшем движении по­ршня в той же последовательности по­вторяются все процессы цикла.

Только такт сгорания и расширения яв­ляется рабочим, остальные три такта осу­ществляются за счет кинетической энер­гии вращающегося коленчатого вала с ма­ховиком и работы других цилиндров.

Чем полнее будет очищен цилиндр от выпускных газов и чем больше поступит в него свежего заряда, тем больше, следо­вательно, можно будет получить полезной работы за цикл.

Для улучшения очистки и наполнения цилиндра выпускной клапан закрывается не в конце такта выпуска (в ВМТ), а не­сколько позднее (при повороте коленчато­го вала на 10...50 ° после ВМТ), т. е. в на­чале первого такта. По этой же причине и впускной клапан открывается с некото­рым опережением (за 10...40° до ВМТ, т.е. в конце четвертого такта). Таким образом, в конце четвертого такта в тече­ние некоторого периода могут быть откры­ты оба клапана. Такое положение называ­ется перекрытием клапанов. Оно способ­ствует улучшению наполнения в результа­те эжектирующего действия потока газов в выпускном трубопроводе.