Описание работы двигателя внутреннего сгорания. Общие характеристики двигателя внутреннего сгорания

Технические характеристики двигателя - это набор, как правило, выходных данных по тем или иным критериям. Самые важные из которых - мощность, количество цилиндров и некоторые другие. Всего таких характеристик можно насчитать тысячи. Просто представьте, что ведь и обычную ветку можно охарактеризовать с точки зрения сотен данных: начиная с обычных габаритов, плотности и веса, до её упругости, крепости и тому подобного. А теперь представьте мотор, который состоит из тысяч деталей и компонентов, каждый из которых можно как-то охарактеризовать.

Поэтому в статье мы рассмотрим все технические характеристики двигателя, которые представляют для обычного водителя какую-либо ценность. А если мы что-то забудем, пожалуйста, укажите нам это в комментариях.

Хотя статья написана для новичков, автор предполагает, что Вы уже знаете, как работает двигатель внутреннего сгорания. Если нет, то мы рекомендуем ознакомиться сначала с соответствующей статьёй .

А мы, пожалуй, начнём и сгруппируем все характеристики мотора по их типам, а рассортируем их по степени важности от самых важных к менее важным.

Конструктивные характеристики двигателя

Тип питания мотора внутреннего сгорания. В основном, он бывает бензиновым или дизельным - именно это существенно отличает конструкцию любого двигателя. Как, правило, бензиновые двигатели обычно потребляют больше топлива на километр пути, чем дизельные, выдают максимальную мощность на более высоких оборотах, но имеют меньший крутящий момент . Бензиновые моторы чаще устанавливают на легковые авто, а дизельные - на грузовые , где требуется тяговитость.

Количество цилиндров косвенно влияет на мощность и стабильность работы двигателя. На большинстве легковых седанов 4-хцилиндровые двигатели. Чаще всего число цилиндров чётное, но бывают и исключения. Кроме 4-хцилиндровых также распространены 6-, 8-, 10- и 12-цилиндровые двигатели. Последние три типа обычно ставятся на спортивные авто.

Способ расположения цилиндров бывает рядный, когда все цилиндры расположены по одной проекции линии, V-образным, когда цилиндры, поочерёдно располагаясь друг напротив друга, образуют букву "V" и оппозитным - когда цилиндры расположены друг напротив друга.



Обычно рядные двигатели - это 4-х- и 6-цилиндровые, V-образными бывают моторы, начиная от 6 цилиндров.

Рабочий объём двигателя напрямую и главным образом влияет на его мощность - чем рабочий объём больше, тем больше и мощность. Рабочий объём - это тот максимальный объём пространства в камере сгорания, который образуется, когда поршень находится в нижней точке. Значения такой характеристики, как объём мотора, сильно разнятся от автомобиля к автомобилю, составляя от 0,8 литра до 6 литров и более.



Количество клапанов на цилиндр может исчисляться от 2 до 5. Чем более спортивный и мощный двигатель, тем больше клапанов. Двухклапанные двигатели устарели.

Диаметр цилиндра и ход поршня прямо определяют рабочий объём цилиндра. Большой диаметр цилиндра и меньший ход поршня дают высокие обороты и меньшую тяговитость мотора, а такие двигатели, таким образом, устанавливаются чаще на спортивные и гоночные автомобили. Больший ход поршня и меньший диаметр цилиндра при том же рабочем объёме дадут запас тяговитости, меньшее число оборотов при максимальной мощности и бóльшую степень сжатия.

Тип охлаждения бывает воздушный и водяной. Двигатель каждого типа очень легко отличить: мотор с воздушным охлаждением рифлёный для лучшего потока воздуха, а с водяным - нет, каналы для циркуляции воды в таком двигателе проходят внутри него.

Наличие турбины . Существуют 3 основных вида двигателя по этой характеристике:

  • атмосферные двигатели, у которых воздух поступает в цилиндры всасыванием;
  • двигатели с турбокомпрессором - здесь воздух в цилиндры нагнетается компрессором, приводимым в движение от электромотора или самого двигателя;
  • двигатели с турбонаддувом - в таких двигателях воздух нагнетается за счёт давления, создаваемого выхлопными газами.



Тип питания двигателя различают на питание карбюратором , впрыском топлива через форсунки или наличием топливного насоса высокого давления. Различия у этих систем колоссальны. Карбюраторные двигатели не так давно устарели, так как нерационально расходовали топливо; питанием многоточечным впрыском снабжены сегодня почти все автомобили на бензине, а ТНВД используют дизельные моторы.

Материал изготовления корпуса двигателя. Корпус чаще всего изготавливают из чугуна, сплавов алюминия или сплавов магния. Первый вариант распространён, в основном в дизельных и старых двигателях, второй - в современных моторах легковых машин, а последний из-за своей дороговизны, соответственно, в дорогих спортивных автомобилях.

Выходные характеристики двигателя

Мощность двигателя - это, пожалуй, самая важная и обсуждаемая характеристика, на которую смотрят при покупке автомобиля чаще всего в первую очередь. Мощность измеряется в лошадиных силах и зависит практически от всех других характеристик моторов. Для легковых неспортивных автомобилей оптимальная мощность, которой хватит для повседневной езды может составлять от 80 до 130 лошадиных сил. Но заряженные машины могут иметь под свои капотом до 800 и более "лошадей".

Однако, профессионалы говорят, что мощность продаёт машину, а вот гонки выигрывает не мощность, а крутящий момент . Это в определённой степени правда. Крутящий момент - это мгновенная сила именно кручения, которую даёт двигатель. Крутящий момент прямо пропорционален мощности, и обычно его значение (измеряется он в Ньютон×метрах) больше значения мощности в лошадиных силах. Причём, если у бензиновых моторов момент больше примерно в 1,2-1,5 раза, то у дизельных - до соответствующего значения в 3 раза. Именно поэтому дизели считаются более тяговитыми.



Максимальное число оборотов коленчатого вала двигателя - это число оборотов в минуту, больше которого "мозг" автомобиля не даст раскрутить двигатель и которое не приведёт к его поломке. Опять же, максимальное число оборотов отличается у дизелей и бензиновых моторов - у первых оно существенно меньше.

Компрессия и степень сжатия - очень похожие характеристики, хотя физики будут гневно критиковать такое утверждение. Обе характеристики означают давление внутри камеры сгорания цилиндра при сжатии топливо-воздушной смеси.

Расход топлива измеряется в литрах на 100 километров и также является важным показателем при выборе авто. Дизельные двигатели расходуют примерно в два раза меньше топлива, нежели бензиновые (за счёт меньшего числа оборотов). Наличие турбины также даёт существенную экономию. Но главным образом, на значение расхода топлива влияет, конечно же, рабочий объём двигателя, число оборотов мотора при его эксплуатации и в целом манера езды.

Общие характеристики двигателя внутреннего сгорания (ДВС)

В наши дни на автомобили в основном устанавливается двигатель внутреннего сгорания. Специалисты-профессионалы отмечают достаточно сложное его устройство. Для того чтобы остановить свой выбор, при покупке автомобиля, на какой-то конкретной версии, необходимо использовать технические характеристики двигателя внутреннего сгорания для анализа устройства всего автомобиля.

Самый главный показатель поршневого двигателя внутреннего сгорания - это количество цилиндров. Их может быть, на серийных автомобилях, от 1 до 16. Этот фактор влияет на конструктивное устройство двигателя, а так же на мощность, она может быть различной при одинаковом количестве цилиндров.

Цилиндры могут располагаться рядно и под углом друг к другу. Когда они расположены под углом, относительно коленчатого вала с обеих сторон, то на характеристики двигателя влияет угол развала. При увеличении угла смещается вниз центр тяжести двигателя, что улучшает работу систем охлаждения и смазки, наблюдается улучшение динамических показателей, повышается инерционность. При уменьшении угла снижается вес и инерционность, но ухудшается температурный режим.

Применяется в автомобилестроении оппозитный двигатель, угол развала цилиндров которого составляет 180°, при этом максимально проявляются преимущества и недостатки ДВС. При W-образной схеме задействуется четыре и более цилиндра, и включаются они в общий привод. Очень редко применяется рядно-V-образный тип двигателей, это синтез двух типовых разновидностей. Располагаясь последовательно, несколько цилиндров наклонены под определенным углом относительно друг друга, это способствует улучшению температурных характеристик.

Отличаются между собой эти типы двигателей весом и размерами. Увеличение количества цилиндров ведет к изменению всех характеристик: увеличивается рабочий объем двигателя, увеличивается его мощность, но и расход топлива увеличивается тоже.

Материалы, из которых изготавливают двигатели можно разделить на три основных группы:

Чугун и другие сплавы железа - достигается большая прочность, но значительно увеличивается вес.

Алюминий и сплавы - дают малый вес и среднюю прочность.

Сплавы магния - малый вес при достаточно высокой прочности, но при этом значительно возрастает стоимость.

В основном работа двигателя внутреннего сгорания характеризуется тремя показателями: мощностью, крутящим моментом и числом оборотов коленчатого вала. Мощность обозначается лошадиными силами (л.с.), иногда выражается в киловаттах (кВт). Влияет она на общую динамику автомобиля, на его скорость и время разгона. Крутящий момент влияет на создание тягового усилия, обозначается ньютонометрами (нм), обеспечивает мягкость работы двигателя при переключении передач и обеспечивает ускорение автомобиля с низких оборотов. Показатель максимального числа оборотов коленчатого вала влияет на скоростной и динамический характер движения автомобиля.

Не менее важными являются такие характеристики:

тип применяемого топлива для двигателя внутреннего сгорания может быть бензин, газ или дизельное топливо. Марки топлива различаются октановым числом, оно должно соответствовать типу двигателя и его характеристикам. Использование несоответствующего топлива приводит к потере мощности и к снижению ресурса работоспособности двигателя;

расход топлива двигателя внутреннего сгорания разделяется на городской, загородный и смешанный. Обозначается количеством литров на сто километров пробега автомобиля;

расход моторного масла . Измеряется в литрах на тысячу километров пробега. Масла бывают синтетическими, полусинтетическими и минеральными, отличаются они густотой и вязкостью. Применение их регламентировано изменениями сезонных температур, зимой применяются масла с низкими обозначениями 0W40, 5W40, 10W40, а летом 15W40, 20W40. Трансмиссионные масла 70W90 или 95W100 использовать в двигатель нельзя, так как это приведет к его заклиниванию;

ресурсная прочность - этот параметр определяет периодичность проведения технического обслуживания. Обычно работы по техническому обслуживанию двигателя проводятся в период между 5000 и 30000 километров пробега. Имеется гарантийный и послегарантийный периоды технического обслуживания.

Двигатели имеют ряд разнообразных особенностей конструктивного характера:

топливная система - может быть бензиновая и дизельная. Бензиновые двигатели при большем числе оборотов колен вала развивают большую мощность, а дизельные имеют большой крутящий момент и отличаются устойчивой работой;

на современных двигателях внутреннего сгорания применяется электронная система впрыска бензина (инжекторная), она показывает лучшие технико-экономические показатели, чем карбюраторная система. Из-за плохого смешивания бензовоздушной смеси карбюраторная система имеет низкий КПД, труднорегулируемая механическая регулировка приводят к перерасходу топлива;

система бензинового впрыска может быть одноточечного и многоточечного типа. Недостатком одноточечной системы есть то, что при резком уменьшении нагрузки происходит увеличение расхода топлива. Многоточечный тип имеет прямую и распределенную систему впрыска. При этом создается равномернораспределенная смесь, что делает работу двигателя устойчивой на всех режимах. Но при прямом впрыске, хоть и наблюдается повышение мощности, ресурсной прочности и снижение расхода топлива значительно повышается стоимость, так как необходимо высококачественное топливо и наблюдаются провалы на малых оборотах в начале движения.

Эти недостатки исключаются применением комбинированного (двойного) впрыска. Системы используются одновременно, а электроника включает их по очереди, в зависимости от изменения нагрузочных и скоростных режимов.

Дизельные двигатели проще бензиновых по конструкции, однако, система впуска намного сложнее и построена по другому принципу. В ее состав входит топливный насос высокого давления (ТНВД), а так же форсунки, которые впрыскивают топливо, под высоким давлением, прямо в камеру сгорания. Работает эта совместная система достаточно устойчиво и стабильно, но требует тщательного технического обслуживания и профессиональной регулировки.

Используя комбинацию топливного насоса высокого давления с насос-форсунками на базе общей топливной рампы высокого давления, где дизельное топливо сжимается и попадает в камеру сгорания методом впрыска. На данное время эта система показывает лучшие характеристики и обеспечивает малый расход топлива.

Форсунки впрыска могут быть с механическим или пьезоэлектронным приводом. Они достаточно надежно работают, но пьезоэлектронные проще в обслуживании.

Клапана - часть газораспределительной системы, бывают впускные и выпускные. В разных конструкциях используется от 2 до 5 на каждый цилиндр. Чем больше клапанов, тем больше мощность, так как камера сгорания больше и быстрее наполняется топливом, это характеризуется увеличенным расходом топлива.

Дизельные двигатели бывают с наддувом и без. Без наддува - атмосферные двигатели не имеют компрессора или других устройств обеспечивающих создание повышенного давления воздуха в системе впуска. С наддувом бывают компрессорные и турбинные, отличаются друг от друга типом привода.

Компрессорный наддув имеет механический привод и получает вращение от коленчатого вала двигателя, в результате теряется часть мощности и увеличивается расход топлива. Турбонаддув имеет привод от системы крыльчаток, раскручивающихся под давлением выхлопных газов. Эта система надежнее, отличается простотой и почти исключает потери, но при этом снижается крутящий момент, ощутимо это на низких оборотах.

Система газораспределения двигателя внутреннего сгорания включает в себя распределительные валы и их приводы. Количество их зависит от конструкции двигателя, на каждый ряд один вал, но не более чем на 8 клапанов. Передача вращения от коленвала на распредвал осуществляется посредством цепи или ремня. Цепь создает много шума, но достаточно надежная, а ремень дешевле, но быстро изнашивается.

Фазы газораспределения - величина теоретически постоянная, и зависит от формы кулачка распредвала. По мере износа кулачка изменяются фазы, падает мощность и уменьшается моторесурс двигателя внутреннего сгорания.

Автомобильные поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) обладают множеством показателей – мощность, крутящий момент, расход топлива, выброс вредных веществ и т. д., которые во многом зависят от их конструктивных параметров.
Типы двигателей

Двигатель - устройство, преобразующее энергию сгорания топлива в механическую работу. Практически все автомобильные двигатели работают по циклу, состоящему из четырех тактов:
впуск воздуха или его смеси с топливом;
сжатие рабочей смеси,
рабочий ход при сгорании рабочей смеси;
выпуск отработавших газов.

Наибольшее распространение в автомобилях получили поршневые двигатели - бензиновые и дизели.

Бензиновые двигатели имеют принудительное зажигание топливо-воздушной смеси искровыми свечами. Различаются по типу системы питания:
в карбюраторных смешение бензина с воздухом начинается в карбюраторе и продолжается во впускном трубопроводе. В настоящее время выпуск таких двигателей снижается из-за низкой экономичности и несоответствия современным экологическим нормам;
в впрысковых двигателях топливо может подаваться одним инжектором (форсункой) в общий впускной трубопровод (центральный, моновпрыск) или несколькими инжекторами перед впускными клапанами каждого цилиндра (распределенный впрыск). В них возможно некоторое увеличение максимальной мощности и снижение расхода бензина и токсичности отработавших газов за счет более точной дозировки топлива электронной системой управления двигателем;
двигатели с непосредственным впрыскиванием бензина в камеру сгорания, который подается в цилиндр несколькими порциями, что оптимизирует процесс сгорания, позволяет двигателю работать на обедненных смесях, соответственно уменьшается расход топлива и выброс вредных веществ.

Дизели - двигатели, в которых воспламенение смеси топлива с воздухом происходит от повышения ее температуры при сжатии. По сравнению с бензиновыми эти двигатели обладают лучшей экономичностью (на 15-20%) благодаря большей (в два и более раз) степени сжатия (см. ниже), улучшающей процессы горения топливо-воздушной смеси. Достоинством дизелей является отсутствие дроссельной заслонки, которая создает сопротивление движению воздуха на впуске и увеличивает расход топлива. Максимальный крутящий момент (см. ниже) дизели развивают на меньшей частоте вращения коленчатого вала (в обиходе - "тяговиты на низах").

Дизели устаревших конструкций обладали по сравнению с бензиновыми двигателями и рядом недостатков:
большей массой и стоимостью при одинаковой мощности из-за высокой степени сжатия (в 1,5-2 раза больше), увеличивавшей давление в цилиндрах и нагрузки на детали, что заставляло изготавливать более прочные элементы двигателя, увеличивая их габариты и вес;
большей шумностью из-за особенностей процесса горения топлива в цилиндрах;
меньшими максимальными оборотами коленвала из-за более высокой массы деталей, вызывавшей большие инерционные нагрузки. По этой же причине дизели, как правило, менее приемисты - медленнее набирают обороты.

Роторно- поршневой двигатель (Ванкеля) - в нем ротор-поршень совершает не возвратно-поступательное движение, как в бензиновых двигателях и дизелях, а вращается по определенной траектории. Благодаря этому он обладает хорошей приемистостью - быстро набирает обороты, обеспечивая автомобилю хорошую динамику разгона. Из-за конструктивных особенностей степень сжатия ограничена, поэтому работает только на бензине и обладает худшей экономичностью из-за формы камеры сгорания. Раньше его недостатком был меньший ресурс, а теперь и невысокие экологические показатели, которым сейчас уделяется большое внимание.

Гибридная силовая установка представляет собой комбинацию поршневого двигателя (как правило, дизеля), электродвигателя, генератора и тяговых (тяговая аккумуляторная батарея, в отличие от стартерной, рассчитана на разряд большими токами (50-100 А) в течение 30-60 минут) аккумуляторных батарей. Работа этой установки происходит в различных режимах в зависимости от характера движения автомобиля. При интенсивном разгоне вместе работают поршневой и электрический двигатели. Во время торможения двигателем за счет энергии замедления генератор заряжает аккумуляторные батареи. При движении в городском цикле может работать только электродвигатель. Все это позволяет, сохраняя (или даже улучшая) динамику разгона, значительно повысить экономичность и снизить выброс вредных веществ.

Компоновка поршневых двигателей

Значительное разнообразие компоновок поршневых двигателей связано с их размещением в автомобиле и необходимостью уместить определенное количество цилиндров в ограниченном объеме моторного отсека.

Рядный двигатель (рис. 1, а) - компоновка, при которой все цилиндры находятся в одной плоскости. Применяется для небольшого количества цилиндров (2, 3, 4, 5 и 6). Рядный шестицилиндровый двигатель легче всего поддается уравновешиванию (снижению вибраций), но обладает значительной длиной.

V-образный двигатель (рис. 1, б) - цилиндры у него расположены в двух плоскостях, как бы образуя латинскую букву V. Угол между этими плоскостями называют углом развала. Наиболее часто такое размещение цилиндров применяется для шести- и восьмицилиндровых двигателей и обозначается V6 и V8 соответственно. Такая компоновка позволяет уменьшить длину двигателя, но увеличивает его ширину.

Оппозитный двигатель (рис. 1, в) имеет угол развала 180°, благодаря этому у него высота агрегата наименьшая среди всех компоновок.

VR-двигатель (рис. 1, г) обладает небольшим углом развала (порядка 15°), что позволяет уменьшить как продольный, так и поперечный размеры агрегата.

W-двигатель (рис. 1, д) имеет два варианта компоновки - три ряда цилиндров с большим углом развала или как бы две VR-компоновки (рис. 1, е).Обеспечивает хорошую компактность даже при большом количестве цилиндров. В настоящее время серийно выпускают W8 и W12.

Конструктивные параметры двигателей

Любой двигатель характеризуется следующими конструктивно заданными параметрами (рис. 2), практически неизменными в процессе эксплуатации автомобиля.

Объем камеры сгорания - объем полости цилиндра и углубления в головке над поршнем, находящимся в верхней мертвой точке - крайнем положении на наибольшем удалении от коленвала.


Рабочий объем цилиндра - пространство, которое освобождает поршень при движении от верхней до нижней мертвой точки. Последняя является крайним положением поршня на наименьшем удалении от коленвала.

Полный объем цилиндра - равен сумме рабочего объема и объема камеры сгорания.

Рабочий объем двигателя (литраж) складывается из рабочих объемов всех цилиндров.

Степень сжатия - отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Этот параметр показывает, во сколько раз уменьшается полный объем при перемещении поршня из нижней мертвой точки в верхнюю. Для бензиновых двигателей определяет октановое число применяемого топлива.

Показатели двигателей

Показателями двигателя называют величины, характеризующие его работу. Помимо конструктивных параметров, они зависят от особенностей и настроек систем питания и зажигания, степени износа деталей и пр.

Давление в конце такта сжатия (компрессия) является показателем технического состояния (изношенности) цилиндро-поршневой группы и клапанов.

Крутящий момент на коленчатом валу двигателя определяет силу тяги на колесах: чем он больше, тем лучше динамика разгона автомобиля. Равен произведению силы на плечо (рис. 3) и измеряется в Н·м (Ньютон на метр), ранее в кгс.м (килограмм-сила на метр).

Крутящий момент увеличивается с ростом:
рабочего объема. Поэтому двигатели, которым необходим значительный крутящий момент, обладают большим объемом;
давления горящих газов в цилиндрах, которое ограничено детонацией (взрывное горение бензо-воздушной смеси, сопровождаемое характерным звонким звуком. Ошибочно называется "стуком поршневых пальцев") или ростом нагрузок в дизелях.

Максимальный крутящий момент двигатель развивает при определенных оборотах (см. ниже), они вместе с его величиной указываются в технической документации.

Мощность двигателя - величина, показывающая, какую работу он совершает в единицу времени, измеряется в кВт (ранее в лошадиных силах). Одна лошадиная сила (л.с.) приблизительно равняется 0,74 кВт. Мощность равна произведению крутящего момента на угловую скорость коленвала (число оборотов в минуту, умноженное на определенный коэффициент).

Двигатели большей мощности производители получают увеличением:
рабочего объема, что, в свою очередь, приводит к росту габаритов двигателя и ограничению допустимых максимальных оборотов из-за значительных сил инерции увеличившихся деталей;
оборотов коленчатого вала, число которых ограничено инерционными силами и увеличением износа деталей. Высокооборотный двигатель одинаковой мощности (при прочих равных условиях - конструкции двигателя, технологии изготовления, применяемых материалах и т.д.) с низкооборотным обладает меньшим сроком службы, так как в среднем для одного и того же пробега его коленчатый вал будет совершать больше оборотов;
давления в цилиндре путем повышения степени сжатия либо наддувом воздуха посредством турбо- или механических нагнетателей. Для применения наддува степень сжатия вынужденно уменьшают для предотвращения детонации (у бензиновых двигателей) и снижения жесткости работы (повышенные нагрузки в цилиндро-поршневой группе дизеля, сопровождаемые чрезмерным шумом) (у дизелей). Наддув позволяет, например, сохранить мощность при меньшем рабочем объеме.

Номинальная мощность - гарантируемая производителем мощность при полной подаче топлива на определенных оборотах. Именно она, а не максимальная мощность, указывается в технической документации на двигатель.

Удельный расход топлива - это количество топлива, расходуемого двигателем на 1 кВт развиваемой мощности за один час. Является показателем совершенства конструкции двигателя: чем расход ниже, тем более эффективно используется энергия сгорающего в цилиндрах топлива.

Характеристики двигателей

При одних и тех же конструктивных параметрах у разных двигателей такие показатели, как мощность, крутящий момент и удельный расход топлива, могут отличаться. Это связано с такими особенностями, как количество клапанов на цилиндр, фазы газораспределения и т. п. Поэтому для оценки работы двигателя на разных оборотах используют характеристики - зависимость его показателей от режимов работы. Характеристики определяются опытным путем на специальных стендах, так как теоретически они рассчитываются лишь приблизительно.

Как правило, в технической документации к автомобилю приводятся внешние скоростные характеристики двигателя (рис. 4), определяющие зависимость мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива от числа оборотов коленвала при полной подаче топлива. Они дают представление о максимальных показателях двигателя.


Показатели двигателя (упрощенно) изменяются по следующим причинам. С увеличением числа оборотов коленвала растет крутящий момент благодаря тому, что в цилиндры поступает больше топлива. Примерно на средних оборотах он достигает своего максимума, а затем начинает снижаться. Это происходит из-за того, что с увеличением скорости вращения коленвала начинают играть существенную роль инерционные силы, силы трения, аэродинамическое сопротивление впускных трубопроводов, ухудшающее наполнение цилиндров свежим зарядом топливо-воздушной смеси, и т. п.

Быстрый рост крутящего момента двигателя указывает на хорошую динамику разгона автомобиля благодаря интенсивному увеличению силы тяги на колесах. Чем дольше величина момента находится в районе своего максимума и не снижается, тем лучше. Такой двигатель более приспособлен к изменению дорожных условий и реже придется переключать передачи.

Мощность растет вместе с крутящим моментом и даже, когда он начинает снижаться, продолжает увеличиваться благодаря повышению оборотов. После достижения максимума мощность начинает снижаться по той же причине, по которой уменьшается крутящий момент. Обороты несколько выше максимальной мощности ограничивают регулирующими устройствами, так как в этом режиме значительная часть топлива расходуется не на совершение полезной работы, а на преодоление сил инерции и трения в двигателе. Максимальная мощность определяет максимальную скорость автомобиля. В этом режиме автомобиль не разгоняется и двигатель работает только на преодоление сил сопротивления движению - сопротивления воздуха, сопротивления качению и т. п.

Величина удельного расхода топлива также меняется в зависимости от оборотов коленвала, что видно на характеристике (см. рис. 4). Удельный расход топлива должен находиться как можно дольше вблизи минимума; это указывает на хорошую экономичность двигателя. Минимальный удельный расход, как правило, достигается чуть ниже средних оборотов, на которых в основном и эксплуатируется автомобиль при движении в городе.

Пунктирной линией на графике показаны более оптимальные характеристики двигателя.

Автомобильные поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) обладают множеством показателей – мощность, крутящий момент, расход топлива, выброс вредных веществ и т. д., которые во многом зависят от их конструктивных параметров.

Типы двигателей

Двигатель - устройство, преобразующее энергию сгорания топлива в механическую работу. Практически все автомобильные двигатели работают по циклу, состоящему из четырех тактов:

  • впуск воздуха или его смеси с топливом;
  • сжатие рабочей смеси,
  • рабочий ход при сгорании рабочей смеси;
  • выпуск отработавших газов.

Наибольшее распространение в автомобилях получили поршневые двигатели - бензиновые и дизели.

Бензиновые двигатели имеют принудительное зажигание топливо-воздушной смеси искровыми свечами. Различаются по типу системы питания:

  • в карбюраторных смешение бензина с воздухом начинается в карбюраторе и продолжается во впускном трубопроводе. В настоящее время выпуск таких двигателей снижается из-за низкой экономичности и несоответствия современным экологическим нормам;
  • в впрысковых двигателях топливо может подаваться одним инжектором (форсункой) в общий впускной трубопровод (центральный, моновпрыск) или несколькими инжекторами перед впускными клапанами каждого цилиндра (распределенный впрыск). В них возможно некоторое увеличение максимальной мощности и снижение расхода бензина и токсичности отработавших газов за счет более точной дозировки топлива электронной системой управления двигателем;
  • двигатели с непосредственным впрыскиванием бензина в камеру сгорания, который подается в цилиндр несколькими порциями, что оптимизирует процесс сгорания, позволяет двигателю работать на обедненных смесях, соответственно уменьшается расход топлива и выброс вредных веществ.

Дизели - двигатели, в которых воспламенение смеси топлива с воздухом происходит от повышения ее температуры при сжатии. По сравнению с бензиновыми эти двигатели обладают лучшей экономичностью (на 15-20%) благодаря большей (в два и более раз) степени сжатия (см. ниже), улучшающей процессы горения топливо-воздушной смеси. Достоинством дизелей является отсутствие дроссельной заслонки, которая создает сопротивление движению воздуха на впуске и увеличивает расход топлива. Максимальный крутящий момент (см. ниже) дизели развивают на меньшей частоте вращения коленчатого вала (в обиходе - «тяговиты на низах»).

Дизели устаревших конструкций обладали по сравнению с бензиновыми двигателями и рядом недостатков:

  • большей массой и стоимостью при одинаковой мощности из-за высокой степени сжатия (в 1,5-2 раза больше), увеличивавшей давление в цилиндрах и нагрузки на детали, что заставляло изготавливать более прочные элементы двигателя, увеличивая их габариты и вес;
  • большей шумностью из-за особенностей процесса горения топлива в цилиндрах;
  • меньшими максимальными оборотами коленвала из-за более высокой массы деталей, вызывавшей большие инерционные нагрузки. По этой же причине дизели, как правило, менее приемисты - медленнее набирают обороты.

Роторно-поршневой двигатель (Ванкеля) - в нем ротор-поршень совершает не возвратно-поступательное движение, как в бензиновых двигателях и дизелях, а вращается по определенной траектории. Благодаря этому он обладает хорошей приемистостью - быстро набирает обороты, обеспечивая автомобилю хорошую динамику разгона. Из-за конструктивных особенностей степень сжатия ограничена, поэтому работает только на бензине и обладает худшей экономичностью из-за формы камеры сгорания. Раньше его недостатком был меньший ресурс, а теперь и невысокие экологические показатели, которым сейчас уделяется большое внимание.

Гибридная силовая установка представляет собой комбинацию поршневого двигателя (как правило, дизеля), электродвигателя, генератора и тяговых (тяговая аккумуляторная батарея, в отличие от стартерной, рассчитана на разряд большими токами (50-100 А) в течение 30-60 минут) аккумуляторных батарей. Работа этой установки происходит в различных режимах в зависимости от характера движения автомобиля. При интенсивном разгоне вместе работают поршневой и электрический двигатели. Во время торможения двигателем за счет энергии замедления генератор заряжает аккумуляторные батареи. При движении в городском цикле может работать только электродвигатель. Все это позволяет, сохраняя (или даже улучшая) динамику разгона, значительно повысить экономичность и снизить выброс вредных веществ.

Компоновка поршневых двигателей

Значительное разнообразие компоновок поршневых двигателей связано с их размещением в автомобиле и необходимостью уместить определенное количество цилиндров в ограниченном объеме моторного отсека.

(рис. 1, а) - компоновка, при которой все цилиндры находятся в одной плоскости. Применяется для небольшого количества цилиндров (2, 3, 4, 5 и 6). Рядный шестицилиндровый двигатель легче всего поддается уравновешиванию (снижению вибраций), но обладает значительной длиной.

(рис. 1, б) - цилиндры у него расположены в двух плоскостях, как бы образуя латинскую букву V. Угол между этими плоскостями называют углом развала. Наиболее часто такое размещение цилиндров применяется для шести- и восьмицилиндровых двигателей и обозначается V6 и V8 соответственно. Такая компоновка позволяет уменьшить длину двигателя, но увеличивает его ширину.

(рис. 1, в) имеет угол развала 180°, благодаря этому у него высота агрегата наименьшая среди всех компоновок.

(рис. 1, г) обладает небольшим углом развала (порядка 15°), что позволяет уменьшить как продольный, так и поперечный размеры агрегата.

Имеет два варианта компоновки - три ряда цилиндров с большим углом развала (рис. 1, д) или как бы две VR-компоновки (рис. 1, е).Обеспечивает хорошую компактность даже при большом количестве цилиндров. В настоящее время серийно выпускают W8 и W12.

Любой двигатель характеризуется следующими конструктивно заданными параметрами (рис. 2), практически неизменными в процессе эксплуатации автомобиля.

Объем камеры сгорания - объем полости цилиндра и углубления в головке над поршнем, находящимся в верхней мертвой точке - крайнем положении на наибольшем удалении от коленвала.

Рабочий объем цилиндра - пространство, которое освобождает поршень при движении от верхней до нижней мертвой точки. Последняя является крайним положением поршня на наименьшем удалении от коленвала.

Полный объем цилиндра - равен сумме рабочего объема и объема камеры сгорания.

Рабочий объем двигателя (литраж) складывается из рабочих объемов всех цилиндров.

Степень сжатия - отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Этот параметр показывает, во сколько раз уменьшается полный объем при перемещении поршня из нижней мертвой точки в верхнюю. Для бензиновых двигателей определяет октановое число применяемого топлива.

Показатели двигателей

Показателями двигателя называют величины, характеризующие его работу. Помимо конструктивных параметров, они зависят от особенностей и настроек систем питания и зажигания, степени износа деталей и пр.

Давление в конце такта сжатия (компрессия) является показателем технического состояния (изношенности) цилиндро-поршневой группы и клапанов.

Крутящий момент на коленчатом валу двигателя определяет силу тяги на колесах: чем он больше, тем лучше динамика разгона автомобиля. Равен произведению силы на плечо (рис. 3) и измеряется в Н·м (Ньютон на метр), ранее в кгс.м (килограмм-сила на метр).

Крутящий момент увеличивается с ростом:

  • рабочего объема. Поэтому двигатели, которым необходим значительный крутящий момент, обладают большим объемом;
  • давления горящих газов в цилиндрах, которое ограничено детонацией (взрывное горение бензо-воздушной смеси, сопровождаемое характерным звонким звуком. Ошибочно называется «стуком поршневых пальцев») или ростом нагрузок в дизелях.

Максимальный крутящий момент двигатель развивает при определенных оборотах (см. ниже), они вместе с его величиной указываются в технической документации.

Мощность двигателя - величина, показывающая, какую работу он совершает в единицу времени, измеряется в кВт (ранее в лошадиных силах). Одна лошадиная сила (л.с.) приблизительно равняется 0,74 кВт. Мощность равна произведению крутящего момента на угловую скорость коленвала (число оборотов в минуту, умноженное на определенный коэффициент).

Двигатели большей мощности производители получают увеличением:

  • рабочего объема, что, в свою очередь, приводит к росту габаритов двигателя и ограничению допустимых максимальных оборотов из-за значительных сил инерции увеличившихся деталей;
  • оборотов коленчатого вала, число которых ограничено инерционными силами и увеличением износа деталей. Высокооборотный двигатель одинаковой мощности (при прочих равных условиях - конструкции двигателя, технологии изготовления, применяемых материалах и т.д.) с низкооборотным обладает меньшим сроком службы, так как в среднем для одного и того же пробега его коленчатый вал будет совершать больше оборотов;
  • давления в цилиндре путем повышения степени сжатия либо наддувом воздуха посредством турбо- или механических нагнетателей. Для применения наддува степень сжатия вынужденно уменьшают для предотвращения детонации (у бензиновых двигателей) и снижения жесткости работы (повышенные нагрузки в цилиндро-поршневой группе дизеля, сопровождаемые чрезмерным шумом) (у дизелей). Наддув позволяет, например, сохранить мощность при меньшем рабочем объеме.

Номинальная мощность - гарантируемая производителем мощность при полной подаче топлива на определенных оборотах. Именно она, а не максимальная мощность, указывается в технической документации на двигатель.

Удельный расход топлива - это количество топлива, расходуемого двигателем на 1 кВт развиваемой мощности за один час. Является показателем совершенства конструкции двигателя: чем расход ниже, тем более эффективно используется энергия сгорающего в цилиндрах топлива.

Характеристики двигателей

При одних и тех же конструктивных параметрах у разных двигателей такие показатели, как мощность, крутящий момент и удельный расход топлива, могут отличаться. Это связано с такими особенностями, как количество клапанов на цилиндр, фазы газораспределения и т. п. Поэтому для оценки работы двигателя на разных оборотах используют характеристики - зависимость его показателей от режимов работы. Характеристики определяются опытным путем на специальных стендах, так как теоретически они рассчитываются лишь приблизительно.

Как правило, в технической документации к автомобилю приводятся внешние скоростные характеристики двигателя (рис. 4), определяющие зависимость мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива от числа оборотов коленвала при полной подаче топлива. Они дают представление о максимальных показателях двигателя.

Показатели двигателя (упрощенно) изменяются по следующим причинам. С увеличением числа оборотов коленвала растет крутящий момент благодаря тому, что в цилиндры поступает больше топлива. Примерно на средних оборотах он достигает своего максимума, а затем начинает снижаться. Это происходит из-за того, что с увеличением скорости вращения коленвала начинают играть существенную роль инерционные силы, силы трения, аэродинамическое сопротивление впускных трубопроводов, ухудшающее наполнение цилиндров свежим зарядом топливо-воздушной смеси, и т. п.

Быстрый рост крутящего момента двигателя указывает на хорошую динамику разгона автомобиля благодаря интенсивному увеличению силы тяги на колесах. Чем дольше величина момента находится в районе своего максимума и не снижается, тем лучше. Такой двигатель более приспособлен к изменению дорожных условий и реже придется переключать передачи.

Мощность растет вместе с крутящим моментом и даже, когда он начинает снижаться, продолжает увеличиваться благодаря повышению оборотов. После достижения максимума мощность начинает снижаться по той же причине, по которой уменьшается крутящий момент. Обороты несколько выше максимальной мощности ограничивают регулирующими устройствами, так как в этом режиме значительная часть топлива расходуется не на совершение полезной работы, а на преодоление сил инерции и трения в двигателе. Максимальная мощность определяет максимальную скорость автомобиля. В этом режиме автомобиль не разгоняется и двигатель работает только на преодоление сил сопротивления движению - сопротивления воздуха, сопротивления качению и т. п.

Величина удельного расхода топлива также меняется в зависимости от оборотов коленвала, что видно на характеристике (см. рис. 4). Удельный расход топлива должен находиться как можно дольше вблизи минимума; это указывает на хорошую экономичность двигателя. Минимальный удельный расход, как правило, достигается чуть ниже средних оборотов, на которых в основном и эксплуатируется автомобиль при движении в городе.

Пунктирной линией на графике показаны более оптимальные характеристики двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания

Часть I основы теории двигателей

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

1.1. Общие сведения и классификация

1.2. Рабочий цикл четырехтактного ДВС

1.3. Рабочий цикл двухтактного ДВС

2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

2.1. Теоретические термодинамические циклы ДВС

2.1.1. Теоретический цикл с подводом теплоты при постоянном объеме

2.1.2. Теоретический цикл с подводом теплоты при постоянном давлении

2.1.3. Теоретический цикл с подводом теплоты при постоянном объеме и постоянном давлении (смешанный цикл)

2.2. Действительные циклы ДВС

2.2.1. Рабочие тела и их свойства

2.2.2. Процесс впуска

2.2.3. Процесс сжатия

2.2.4. Процесс сгорания

2.2.5. Процесс расширения

2.2.6. Процесс выпуска

2.3. Индикаторные и эффективные показатели двигателя

2.3.1. Индикаторные показатели двигателей

2.3.2. Эффективные показатели двигателей

2.4. Особенности рабочего цикла и теплового расчета двухтактных двигателей

3. ПАРАМЕТРЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ .

3.1. Тепловой баланс двигателей

3.2. Определение основных размеров двигателей

3.3. Основные параметры двигателей.

4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

4.1. Регулировочные характеристики

4.2. Скоростные характеристики

4.2.1. Внешняя скоростная характеристика

4.2.2. Частичные скоростные характеристики

4.2.3. Построение скоростны характеристик аналитическим методом

4.3. Регуляторная характеристика

4.4. Нагрузочная характеристика

Список литературы

1. Классификация и принцип работы двигателей внутреннего сгорания

      Общие сведения и классификация

Поршневым двигателем внутреннего сгорания (ДВС) называют такую тепловую машину, в которой превращение химической энергии топлива в тепловую, а затем в механическую энергию, происходит внутри рабочего цилиндра. Превращение теплоты в работу в таких двигателях связано с реализацией целого комплекса сложных физико-химических, газодинамических и термодинамических процессов, которые определяют различие рабочих циклов и конструктивного исполнения.

Классификация поршневых двигателей внутреннего сгорания приведена на рис. 1.1. Исходным признаком классификации принят род топлива, на котором работает двигатель. Газообразным топливом для ДВС служат природный, сжиженный и генераторный газы. Жидкое топливо представляет собой продукты переработки нефти: бензин, керосин, дизельное топливо и др. Газожидкостные двигатели работают на смеси газообразного и жидкого топлива, причем основным топливом является газообразное, а жидкое используется как запальное в небольшом количестве. Многотопливные двигатели способны длительно работать на разных топливах в диапазоне от сырой нефти до высокооктанового бензина.

Двигатели внутреннего сгорания классифицируют также по следующим признакам:

    по способу воспламенения рабочей смеси – с принудительным воспламенением и с воспламенением от сжатия;

    по способу осуществления рабочего цикла – двухтактные и четырехтактные, с наддувом и без наддува;

Рис. 1.1. Классификация двигателей внутреннего сгорания.

    по способу смесеобразования – с внешним смесеобразованием (карбюраторные и газовые) и с внутренним смесеобразованием (дизельные и бензиновые с впрыском топлива в цилиндр);

    по способу охлаждения – с жидкостным и воздушным охлаждением;

    по расположению цилиндров – однорядные с вертикальным, наклонным горизонтальным расположением; двухрядные с V-образным и оппозитным расположением.

Преобразование химической энергии топлива, сжигаемого в цилиндре двигателя, в механическую работу совершается с помощью газообразного тела – продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива. Под действием давления газов поршень совершает возвратно-поступательное движение, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала с помощью кривошипно-шатунного механизма ДВС. Прежде чем рассматривать рабочие процессы, остановимся на основных понятиях и определениях, принятых для двигателей внутреннего сгорания.

За один оборот коленчатого вала поршень дважды будет находиться в крайних положениях, где изменяется направление его движения (рис 1.2). Эти положения поршня принято называть мертвыми точками , так как усилие, приложенное к поршню в этот момент, не может вызвать вращательного движения коленчатого вала. Положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает максимума, называетсяверхней мертвой точкой (ВМТ).Нижней мертвой точкой (НМТ) называют такое положение поршня в цилиндре, при котором расстояние его от оси вала двигателя достигает минимума.

Расстояние по оси цилиндра между мертвыми точками называют ходом поршня. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на 180°.

Перемещение поршня в цилиндре вызывает изменение объема надпоршневого пространства. Объем внутренней полости цилиндра при положении поршня в ВМТ называют объемом камеры сгорания V c .

Объем цилиндра, образуемый поршнем при его перемещении между мертвыми точками, называется рабочим объемом цилиндра V h .

где D – диаметр цилиндра, мм;

S – ход поршня, мм

Объем надпоршневого пространства при положении поршня в НМТ называют полным объемом цилиндра V a .

Рис 1.2.Схема поршневого двигателя внутреннего сгорания

Рабочий объем двигателя представляет собой произведение рабочего объема цилиндра на число цилиндров.

Отношение полного объема цилиндра V a к объему камеры сгоранияV c называютстепенью сжатия

При перемещении поршня в цилиндре кроме изменения объема рабочего тела изменяются его давление, температура, теплоемкость, внутренняя энергия. Рабочим циклом называют совокупность последовательных процессов, осуществляемых с целью превращения тепловой энергии топлива в механическую.

Достижение периодичности рабочих циклов обеспечивается с помощью специальных механизмов и систем двигателя.

Рабочий цикл любого поршневого двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен по одной из двух схем, изображенных на рис. 1.3.

По схеме, изображенной на рис. 1.3а, рабочий цикл осуществляется следующим образом. Топливо и воздух в определенных соотношениях перемешиваются вне цилиндра двигателя и образуют горючую смесь. Полученная смесь поступает в цилиндр (впуск), после чего она подвергается сжатию. Сжатие смеси, как будет показано ниже, необходимо для увеличения работы за цикл, так как при этом расширяются температурные пределы, в которых протекает рабочий процесс. Предварительное сжатие создает также лучшие условия для сгорания смеси воздуха с топливом.

Во время впуска и сжатия смеси в цилиндре происходит дополнительное перемешивание топлива с воздухом. Подготовленная горючая смесь воспламеняется в цилиндре при помощи электрической искры. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре резко повышается температура и, следовательно, давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня от ВМТ к НМТ. В процессе расширения нагретые до высокой температуры газы совершают полезную работу. Давление, а вместе с ним и температура газов в цилиндре при этом понижаются. После расширения следует очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск), и рабочий цикл повторяется.

Рис. 1.3.Схемы рабочего цикла двигателей

В рассмотренной схеме подготовка смеси воздуха с топливом, т. е. процесс смесеобразования, происходит в основном вне цилиндра, и наполнение цилиндра производится готовой горючей смесью, поэтому двигатели, работающие по этой схеме, называются двигателями с внешним смесеобразованием. К числу таких двигателей относятся карбюраторные двигатели, работающие на бензине, газовые двигатели, а также двигатели с впрыском топлива во впускной трубопровод, т. е. двигатели, в которых применяется топливо, легко испаряющееся и хорошо перемешивающееся с воздухом при обычных условиях.

Сжатие смеси в цилиндре у двигателей с внешним смесеобразованием должно быть таким, чтобы давление и температура в конце сжатия не достигали значений, при которых могли бы произойти преждевременная вспышка или слишком быстрое (детонационное) сгорание. В зависимости от применяемого топлива, состава смеси, условий теплопередачи в стенки цилиндра и т. д. давление конца сжатия у двигателей с внешним смесеобразованием находится в пределах 1.0–2.0 МПа.

Если рабочий цикл двигателя происходит по схеме, описанной выше, то обеспечивается хорошее смесеобразование и использование рабочего объема цилиндра. Однако ограниченность степени сжатия смеси не позволяет улучшить экономичность двигателя, а необходимость в принудительном зажигании усложняет его конструкцию.

В случае осуществления рабочего цикла по схеме, показанной на рис. 1.3б, процесс смесеобразования происходит только внутри цилиндра. Рабочий цилиндр в данном случае заполняется не смесью, а воздухом (впуск), который и подвергается сжатию. В конце процесса сжатия в цилиндр через форсунку под большим давлением впрыскивается топливо. При впрыскивании оно мелко распыляется и перемешивается с воздухом в цилиндре. Частицы топлива, соприкасаясь с горячим воздухом, испаряются, образуя топливовоздушную смесь. Воспламенение смеси при работе двигателя по этой схеме происходит в результате разогрева воздуха до температур, превышающих самовоспламенение топлива вследствие сжатия. Впрыск топлива во избежание преждевременной вспышки начинается только в конце такта сжатия. К моменту воспламенения обычно впрыск топлива еще не заканчивается. Топливовоздушная смесь, образующаяся в процессе впрыска, получается неоднородной, вследствие чего полное сгорание топлива возможно лишь при значительном избытке воздуха. В результате более высокой степени сжатия, допустимой при работе двигателя по данной схеме, обеспечивается и более высокий КПД. После сгорания топлива следует процесс расширения и очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск). Таким образом, в двигателях, работающих по второй схеме, весь процесс смесеобразования и подготовка горючей смеси к сгоранию происходят внутри цилиндра. Такие двигатели называются двигателямис внутренним смесеобразованием . Двигатели, в которых воспламенение топлива происходит в результате высокого сжатия, называютсядвигателями с воспламенением от сжатия, или дизелями.

      Рабочий цикл четырехтактного ДВС

Двигатель, рабочий цикл которого осуществляется за четыре такта, или за два оборота коленчатого вала, называется четырехтактным . Рабочий цикл в таком двигателе происходит следующим образом.

Первый такт – впуск (рис. 1.4). В начале первого такта поршень находится в положении, близком к ВМТ. Впуск начинается с момента открытия впускного отверстия, за 10–30° до ВМТ.

Рис. 1.4. Впуск

Камера сгорания заполнена продуктами сгорания от предыдущего процесса, давление которых несколько больше атмосферного. На индикаторной диаграмме начальному положению поршня соответствует точка r . При вращении коленчатого вала (в направлении стрелки) шатун перемещает поршень к НМТ, а распределительный механизм полностью открывает впускной клапан и соединяет надпоршневое пространство цилиндра двигателя с впускным трубопроводом. В начальный момент впуска клапан только начинает подниматься и впускное отверстие представляет собой круглую узкую щель высотой в несколько десятых долей миллиметра. Поэтому в этот момент впуска горючая смесь (или воздух) в цилиндр почти не проходит. Однако опережение открытия впускного отверстия необходимо для того, чтобы к моменту начала опускания поршня после прохода им ВМТ оно было бы открыто возможно больше и не затрудняло бы поступления воздуха или смеси в цилиндр. 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 во впускном трубопроводе. На индикаторной диаграмме такту впуска соответствует линияrа.

Такт впуска состоит из впуска газов, происходящего при ускорении движения опускающегося поршня, и впуска при замедлении его движения.

Впуск при ускорении движения поршня начинается в момент начала опускания поршня и заканчивается в момент достижения поршнем максимальной скорости приблизительно при 80° поворота вала после ВМТ. В начале опускания поршня вследствие малого открытия впускного отверстия в цилиндр проходит мало воздуха или смеси, а поэтому остаточные газы, оставшиеся в камере сгорания от предшествующего цикла, расширяются и давление в цилиндре падает. При опускании поршня горючая смесь или воздух, находившаяся в покое во впускном трубопроводе или двигавшаяся в нем с небольшой скоростью, начинает проходить в цилиндр с постепенно увеличивающейся скоростью, заполняя объем, освобождаемый поршнем. По мере опускания поршня его скорость постепенно увеличивается и достигает максимума при повороте коленчатого вала примерно на 80°. При этом впускное отверстие открывается все больше и больше и горючая смесь (или воздух) в цилиндр проходит в больших количествах.

Впуск при замедленном движении поршня начинается с момента достижения поршнем наибольшей скорости и оканчивается НМТ, когда скорость его равна нулю. По мере уменьшения скорости поршня скорость смеси (или воздуха), проходящей в цилиндр, несколько уменьшается, однако в НМТ она не равна нулю. При замедленном движении поршня горючая смесь (или воздух) поступает в цилиндр за счет увеличения объема цилиндра, освобождаемого поршнем, а также за счет своей силы инерции. При этом давление в цилиндре постепенно повышается и в НМТ может даже превышать давление во впускном трубо- проводе.

Давление во впускном трубопроводе может быть близким к атмосферному в двигателях без наддува или выше него в зависимости от степени наддува (0.13–0.45 МПа) в двигателях с наддувом.

Впуск окончится в момент закрытия впускного отверстия (40–60°) после НМТ. Задержка закрытия впускного клапана происходит при постепенно поднимающемся поршне, т.е. уменьшающемся объеме газов в цилиндре. Следовательно, смесь (или воздух) поступает в цилиндр за счет ранее созданного разрежения или инерции потока газа, накопленной в процессе течения струи в цилиндр.

При малых числах оборотов вала, например при пуске двигателя, сила инерции газов во впускном трубопроводе почти полностью отсутствует, поэтому во время задержки впуска будет идти обратный выброс смеси (или воздуха), поступившей в цилиндр ранее во время основного впуска.

При средних числах оборотов инерция газов больше, поэтому в самом начале подъема поршня происходит дозарядка. Однако по мере подъема поршня давление газов в цилиндре увеличится и начавшаяся дозарядка может перейти в обратный выброс.

При больших числах оборотов сила инерции газов во впускном трубопроводе близка к максимуму, поэтому происходит интенсивная дозарядка цилиндра, а обратный выброс не наступает.

Второй такт – сжатие. При движении поршня от НМТ к ВМТ (рис. 1.5) производится сжатие поступившего в цилиндр заряда.

Давление и температура газов при этом повышаются, и при некотором перемещении поршня от НМТ давление в цилиндре становится одинаковым с давлением впуска (точка т на индикаторной диаграмме). После закрытия клапана при дальнейшем перемещении поршня давление и температура в цилиндре продолжают повышаться. Значение давления в конце сжатия (точкас ) будет зависеть от степени сжатия, герметичности рабочей полости, теплоотдачи в стенки, а также от величины начального давления сжатия.

Рис 1.5. Сжатие

На воспламенение и процесс сгорания топлива как при внешнем, так и при внутреннем смесеобразовании 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 двигателях с внешним смесеобразованием и впрыск топлива в цилиндр двигателей с внутренним смесеобразованием обычно производятся до прихода поршня в ВМТ.

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 сгорание топлива. На индикаторной диаграмме второму такту соответствует линия ас.

Третий такт – сгорание и расширение. Третий такт происходит при ходе поршня от ВМТ к НМТ (рис. 1.6). В начале такта интенсивно сгорает 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 внутри цилиндрового объема (участок сz на индикаторной диаграмме).

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 линиясzb.

Рис. 1.6. Расширение

Четвертый такт – выпуск. Во время четвертого такта происходит очистка цилиндра от выпускных газов (рис. 1.7). Поршень, перемещаясь от НМТ к ВМТ, вытесняет газы из цилиндра через открытый выпускной клапан. В четырехтактных двигателях открывают выпускное отверстие на 40–80° до прихода поршня в НМТ (точкаb ) и закрывают его через 20-40° после прохода поршнем ВМТ. Таким образом, продолжительность очистки цилиндра от отработавших газов составляет в разных двигателях от 240 до 300° угла поворота коленчатого вала.

Процесс выпуска можно разделить на предварение выпуска, происходящее при опускающемся поршне от момента открытия выпускного отверстия (точка b ) до НМТ, т. е. в течение 40–80°, и основной выпуск, происходящий при перемещении поршня от НМТ до закрытия выпускного отверстия, т. е. в течение 200–220° поворота коленчатого вала.

Во время предварения выпуска поршень опускается, и удалять из цилиндра отработавшие газы не может.

Однако в начале предварения выпуска давление в цилиндре значительно выше, чем в выпускном коллекторе.

Поэтому отработавшие газы за счет собственного избыточного давления с критическими скоростями выбрасываются из цилиндра. Истечение газов с такими большими скоростями сопровождается звуковым эффектом, для поглощения которого устанавливают глушители.

Критическая скорость истечения отработавших газов при температурах 800 –1200 К составляет 500–600 м/сек.

Рис. 1.7. Выпуск

При подходе поршня к НМТ давление и температура газа в цилиндре понижаются и скорость истечения отработавших газов падает.

Когда поршень подойдет к НМТ, давление в цилиндре понизится. При этом критическое истечение окончится и начнется основной выпуск.

Истечение газов во время основного выпуска происходит с меньшими скоростями, достигающими в конце выпуска 60–160 м/сек.

Таким образом, предварение выпуска менее продолжительно, скорости газов очень велики, а основной выпуск примерно в три раза продолжительнее, но газы в это время выводят из цилиндра с меньшими скоростями.

Поэтому количества газов, выходящих из цилиндра во время предварения выпуска и основного выпуска, примерно одинаковы.

По мере уменьшения частоты вращения двигателя уменьшаются все давления цикла, а следовательно, и давления в момент открытия выпускного отверстия. Поэтому при средних частотах вращения сокращается, а при некоторых режимах (при малых оборотах) совершенно пропадает истечение газов с критическими скоростями, характерными для предварения выпуска.

Температура газов в трубопроводе по углу поворота кривошипа меняется от максимальной в начале выпуска до минимальной в конце. Предварение открытия выпускного отверстия несколько уменьшает полезную площадь индикаторной диаграммы. Однако более позднее открытие этого отверстия вызовет задержку газов с высоким давлением в цилиндре и на их удаление при перемещении поршня придется затратить дополнительную работу.

Небольшая задержка закрытия выпускного отверстия создает возможность использования инерции выпускных газов, ранее вышедших из цилиндра, для лучшей очистки цилиндра от сгоревших газов. Несмотря на это, часть продуктов сгорания неизбежно остается в головке цилиндра, переходя от каждого данного цикла к последующему в виде остаточных газов. На индикаторной диаграмме четвертому такту соответствует линия zb.

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 (ВМТ), а несколько позднее (при повороте коленчатого вала на 5–30° после ВМТ), т. е. в начале первого такта. По этой же причине и впускной клапан открывается с некоторым опережением (за 10–30° 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 клапанов называется перекрытием клапанов. Оно способствует улучшению наполнения в результате эжектирующего действия потока газов в выпускном трубопроводе.

Из рассмотрения четырехтактного цикла работы следует, что четырехтактный двигатель только половину времени, затраченного на цикл, работает как тепловой двигатель (такты сжатия и расширения). Вторую половину времени (такты впуска и выпуска) двигатель работает как воздушный насос.