Что такое рабочий цикл двигателя

Рабочие циклы ДВС

Рабочий цикл — последовательность процессов, периодически повторяющихся в двигателе. Цикл может быть осуществлен либо за два (двухтактный), либо за четыре (четырехтактный) такта.

Рабочий цикл двигателя включает в себя следующие такты работы:

• впуск — заполнение цилиндра свежим зарядом;

• сжатие интенсифицирует процесс сгорания, а также предопределяет более глубокое последующее и возможную полноту использования теплоты, выделяющейся при сжигании топлива в цилиндре;

• расширение — рабочая смесь сгорает, газы, стремясь расшириться, перемешают поршень от ВМТ к НМТ;

• выпуск — очистка цилиндра от отработавших газов.

Рабочие циклы ДВС.

Воскресенье, 28 мая 2017

• Впуск – здесь работа цикла начинается, когда поршень начинает движение вниз, создавая вакуум в цилиндре сверху поршня. Клапан впуска открывается и под действием силы всасывания в него всасывается порция топливной смеси. Если дополнительно установлен нагнетатель, то смесь будет подаваться под давлением.
• Сжатие – движение поршня в этом такте устремлено вверх. Клапана впуска и выпуска в этот момент закрыты, содержимое цилиндра сжимается. Во время сжатия смесь хорошо перемешивается и на пике сжатия запускается процесс воспламенения с помощью свечи зажигания. На свече зажигания генерируется высоковольтный электрический импульс. Получает его свеча от катушки зажигания. Для двигателя с четырьмя цилиндрами используют четыре свечи, по одной на каждый цилиндр. По аналогии в трех, шести, восьми, десяти и двенадцати цилиндровом двигателе.
• Рабочий ход – поршень опускается к нижней точке под огромным давлением увеличивающихся газов. В этот момент впускной и выпускной клапан остаются закрытыми. Коленчатый вал приводит в движение шатун, соединенный посредством поршневого пальца с поршнем.
• Выпуск – это конечный такт из всего рабочего цикла. По достижению поршнем крайней нижней точки он готов устремиться вверх. Под давлением эксцентрика распредвала клапан выпуска откроется, а поднимающийся поршень выдавливает отработанные газы, освобождая цилиндр. Отвод газов происходит очень быстро и только в момент достижения поршнем верхней крайней точки.

А затем весь процесс будет повторяться в такой же последовательности циклично, до того момента пока вы не выключите зажигание (нажмете кнопку EngineStart/Stop).

В заключении можно сказать, что в тактах двигателя нет ничего сложного. Достаточно попробовать визуализировать прочитанное и все вопросы, непонимания уйдут на второй план. Помните, что только в такте рабочего хода совершается полезная работа. Остальные являются сопутствующими или подготовительными. Так как запускаются за счет инерции маховика.

Рабочие циклы четырехтактного двигателя (видео):

Рабочие циклы двигателя и принцип работы устройства

Двигатель внутреннего сгорания — основа большинства конструкций современных автомобилей. Благодаря этому агрегату транспортное средство может перемещаться, выполнять большинство своих функций. Устройство ДВС достаточно простое, и основывается на одном из базовых физико-химических процессов — тепловом расширении газов во время того, как смесь нагревается.

В зависимости от типа топлива, которое используется в цикле работы двигателя, их разделяют на бензиновые, дизельные, газовые.

Общие принципы работы четырехтактного двигателя

Последовательные процессы, которые повторяются в цилиндрах двигателей, называются циклами его работы. Зачастую в автомобилестроении применяются четырехтактные двигатели.

Рис. 1 Четырехтактный цикл ДВС

На рис. 1 воспроизводится последовательность тактов устройства, чей рабочий цикл состоит из 4 ходов поршня:

• Впуск — во время этого процесса в двигатель впрыскивается топливо, а также подводится предварительно подготовленный воздух. Поршень начинает движение, впуская внутрь цилиндра рабочую смесь.
• Сжатие — рабочая смесь под давлением нагревается. Таким образом она готовится к воспламенению. В бензиновых двигателях смесь загорается от электрического разряда, в дизельных — самопроизвольно после подачи топлива в камеру к сжатому воздуху.
• Рабочий ход — после того, как топливо воспламеняется, происходит тепловое расширение смеси, которая воздействует на поршень. Он перемещается в цилиндре от одной крайней точки к другой. Их обозначают как нижняя и верхняя мертвые точки (НМТ и ВМТ).
• Выпуск — возвращаясь в исходную точку после рабочего хода, поршень задействует вспомогательные механизмы, которые отодвигают соответствующие заслонки для отвода отработанной смеси.

В зависимости от типа топлива, которое используется, принцип действия устройства может несколько различаться.

Принцип работы бензинового двигателя

Во время впуска начинается движение поршня внутри цилиндра и закрываются клапаны, отвечающие за выпуск газов. При этом открываются впускные клапаны, впрыскивается бензин и подается воздух, нагнетаемый перемещением поршня от верхней точки к нижней. Вещества перемешиваются между собой и остаточными газами. Так образуется необходимая горючая смесь.

После этого наступает следующий этап — сжатие. Клапаны закрываются, а коленвал вращает поршень, который поступательно перемещается уже от нижней точки к верхней. Смесь сжимается, и ее температура растет соответственно степени сжатия.

На этапе расширения смеси она воспламеняется от электрического разряда. Начинается интенсивное и быстрое горение с большим выделением тепла. Резко увеличивается давление смеси на поршень, который начинает перемещаться от верхней точки к нижней. Также он воздействует на кривошипно-шатунный механизм, связанный с коленвалом. Когда интенсивность горения находится на спаде, открывается клапан, который отвечает за отвод газов.

На конечном этапе цикла, выпуске, отработанная смесь отходит из цилиндра под воздействием поршня, который перемещается от нижней до верхней точки.

Как работает дизельный четырехтактный двигатель

Принципиальное отличие дизеля от бензинового двигателя — способ образования горючей смеси. При впуске в рабочую камеру здесь поступает только подготовленный воздух под давлением, который при сжатии нагревается. На этом этапе подводится и впрыскивается дизельное топливо, и смесь самопроизвольно воспламеняется.

Смесь сгорает в цилиндре, провоцируя значительное повышение давления в камере. Во время теплового расширения поршень перемещается от верхней точки к нижней, задействуя кривошипный механизм, который вращает шатун. После уменьшения интенсивности горения производится выпуск отработанных газов, а затем цикл повторяется снова.

Многоцилиндровые двигатели и принцип их работы

Чтобы обеспечить необходимую мощность авто, производители используют конструкции двигателей с несколькими цилиндрами. Для обеспечения равномерной и бесперебойной работы их располагают определенный образом — V-образным способом или рядным, чтобы такты чередовались определенным образом. Это позволяет обеспечить равные углы поворота коленвала, а значит, стабильную работу во времени.

Большинство современных двигателей работает в следующих последовательностях — 1-2-4-3 или 1-3-4-2. Схему такой работы можно увидеть на рис.2.

Рис.2 Последовательность работы цилиндров во многоцилиндровом ДВС

Главный принцип, который соблюдается при расположении цилиндров в двигателе — добиться максимальной плавности работы при высоких показателях мощности. Поэтому такты при V-образном или рядном расположении чередуются с наименьшей задержкой во времени.

Что такое рабочий цикл двигателя

Процессы, протекающие в цилиндрах двигателя при его работе, повторяются циклично. Одним таким рабочим циклом считается совокупность тактов (впуск топливовоздушной смеси, сжатие, воспламенение и расширение газов, а также выпуск продуктов сгорания), обеспечивающая переход тепловой энергии, выделяемой при воспламенении одной порции смеси, непосредственно в работу. О том, что представляют собой рабочие циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания, пойдет речь далее.

Что такое мертвые точки и такты ДВС

Количество этапов, входящих в один рабочий цикл ДВС (двигателя внутреннего сгорания), принято считать исходя из числа ходов поршня в цилиндре. Такие этапы получили название такты двигателя. Непосредственно ход поршня определяется его перемещением из одной крайней точки в другую. Они получили наименование мертвые, поскольку если в такой точке произойдет остановка поршня, он не сможет начать движение без внешнего воздействия. Простыми словами мертвые точки – это позиции, при которых движение в текущем направлении поршня прекращается и он начинает обратный ход.

Существуют две мертвые точки:

• Нижняя (НМТ) – положение, при котором расстояние между поршнем и осью вращения коленвала минимально.
• Верхняя (ВМТ) – положение, при котором цилиндр находится на максимальном удалении от оси вращения коленвала двигателя.

В англоязычной документации ВМТ обозначается как TDC (Top Dead Centre), А НМТ – BDC (Bottom Dead Centre).

Существуют двигатели, рабочий цикл которых может состоять из двух, а также из четырех тактов. Исходя из этого их разделяют на двухтактные и четырехтактные моторы.

Как работает четырехтактный двигатель

Конструктивно рабочий цикл типового четырехтактного агрегата обеспечивается работой следующих элементов:

• цилиндр;
• поршень – выполняет возвратно-поступательные движения внутри цилиндра;
• клапан впуска – управляет процессом подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания;
• клапан выпуска – управляет процессом выброса отработавших газов из цилиндра;
• свеча зажигания – осуществляет воспламенение образовавшейся топливовоздушной смеси;
• коленчатый вал;
• распределительный вал – управляет открытием и закрытием клапанов;
• ременной или цепной привод;
• кривошипно-шатунный механизм – переводит движение поршня во вращение коленчатого вала.

Рабочий цикл такого механизма состоит из четырех тактов, в ходе которых реализуются следующие процессы:

1. Впуск (нагнетание топлива и воздуха). В начале цикла поршень находится в ВМТ. В момент, когда коленвал начинает вращаться, он воздействует на поршень и переводит его в НМТ. Это приводит к образованию разрежения в камере цилиндра. Распредвал воздействует на клапан впуска, постепенно открывая его. Когда поршень оказывается в крайнем положении клапан полностью открыт, в результате чего происходит интенсивное нагнетание топлива и воздуха в камеру цилиндра.
2. Сжатие (увеличение давления горючей смеси). На втором этапе поршень начинает обратное перемещение к верхней мертвой точке такта сжатия. Коленвал совершает еще один поворот, а оба клапана полностью закрыты. Внутреннее давление увеличивается до величины 1,8 МПа и повышается температура горючей смеси до 600 С°.
3. Расширение (рабочий ход). При достижении верхней позиции поршнем в камере сгорания устанавливается максимальная компрессия до 5 МПа и срабатывает свеча зажигания. Это приводит к возгоранию смеси и увеличению температуры до 2500 С°. Давление и температура приводят к интенсивному воздействию на поршень, и он начинает вновь перемещаться к НМТ. Коленвал совершает еще поворот, и таким образом, тепловая энергия переходит в полезную работу. Распредвал открывает выпускной клапан, и при достижении поршнем НМТ он полностью раскрыт. В результате отработавшие газы начинают постепенно выходить из камеры, а давление и температура снижаются.
4. Выпуск (удаление отработавших газов). Коленвал двигателя поворачивается, и поршень начинает движение в верхнюю точку. Это приводит к выталкиванию отработавших газов и еще большему снижению температуры и уменьшению давления до 0,1 МПа. Далее, начинается новый цикл, в ходе которого указанные процессы вновь повторяются.

В ходе каждого такта коленчатый вал двигателя совершает поворот на 180°. За полный рабочий цикл коленвал поворачивается на 720°.

Четырехтактный двигатель получил широкое распространение. Он может работать как с бензином, так и с дизельным топливом. Отличием рабочего цикла для дизеля является то, что воспламенение топливовоздушной смеси происходит не от искры, а от высокого давления и температуры в конечной точке такта сжатия.

Особенности работы двухтактных моторов

Основой того, чем отличается двухтактный двигатель от четырехтактного, можно назвать тот факт, что в первом за один рабочий цикл коленвал совершает два оборота, а во втором весь рабочий цикл укладывается в один оборот коленвала (360°). Поршень при этом совершает лишь два хода. Процессы, происходящие в камере сгорания в течение рабочего цикла у двухтактного мотора, не отличаются от четырехтактных, но впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов выполняются одновременно с тактами сжатия и расширения.

Процесс одновременного удаления отработавших газов и нагнетания в цилиндр свежего заряда, происходящий в двухтактном двигателе, получил название продувка.

Принцип работы простейшего двухтактного двигателя заключается в следующем:

1. Такт сжатия. В начале цикла поршень находится в НМТ и движется в положение ВМТ такта сжатия. При этом происходит перекрытие окна продувки (впуска), а затем канала выпуска. В момент, когда поршень закрывает окно выпуска, начинается сжатие горючей смеси, и в пространстве под поршнем возникает разрежение. Это обеспечивает нагнетание топлива в камеру через приоткрытый клапан впуска.
2. Такт расширения (рабочего хода). Когда поршень приближается к ВМТ, происходит срабатывание свечи зажигания, и горючая смесь воспламеняется. Это провоцирует резкое повышение давления и температуры, в результате чего поршень начинает движение вниз. Таким образом, газы совершают полезную работу, а поршень при движении к НМТ увеличивает компрессию топливовоздушной смеси. С ростом давления клапан начинает закрываться и препятствует попаданию горючей смеси во впускной коллектор. При достижении поршнем выпускного окна, происходит открытие последнего, и отработавшие газы удаляются в систему выхлопа. Давление в камере снижается, а дальнейшее движение поршня открывает канал продувки и топливовоздушная смесь подается в камеру, вытесняя отработавшие газы.

В зависимости от того, как реализована система продувки в устройстве двухтактного двигателя, их разделяют на разные типы:

• С контурной кривошипно-камерной продувкой. Горючая смесь подается в камеру цилиндра напрямую из картера двигателя. При этом она всасывается в момент движения поршня к ВМТ, а при движении поршня к НМТ обеспечивается продувка за счет избыточного давления.
• С клапанно-щелевой продувкой. Применяется для одноцилиндровых двигателей. Газораспределение реализуется путем перекрытия окон, выполненных в стенке цилиндра.
• С прямоточной продувкой. В такой конструкции впуск выполняется через специальные продувочные окна, выполненные по окружности цилиндра в его нижней части. В свою очередь, выпуск реализуется через выхлопной клапан.
• С использованием продувочных насосов. Применяется на многоцилиндровых двухтактных двигателях. При этом воздух для продувки сжимается специальным компрессором.

В отличие от четырехтактного, двухтактный двигатель не имеет системы газораспределения. Не требуют такие конструкции и организации сложной системы смазки. С другой стороны, четырехтактные моторы более экономичны по расходу топлива, а также меньше подвержены вибрации и обеспечивают более чистый выхлоп.