Содержание
Параметры и рабочий процесс четырехтактного двигателя
Категория:
Ремонт тракторов и автомобилей
Публикация:
Параметры и рабочий процесс четырехтактного двигателя
Читать далее:
Кривошипно-шатунный механизм
Параметры и рабочий процесс четырехтактного двигателя
Совокупность процессов, периодически повторяющихся в определенной последовательности в цилиндре двигателя, называется рабочим циклом. В четырехтактном двигателе рабочий цикл осуществляется за четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Тактом называется часть рабочего цикла, происходящего за один ход поршня. Ходом поршня называется путь, проходимый им от одной мертвой точки до другой. Мертвыми точками называются положения поршня, в которых он изменяет направление движения на обратное. Различают верхнюю мертвую точку (ВМТ) и нижнюю мертвую точку (НМТ).
Рис.
1. Положения поршня и параметры цилиндра двигателя: а — положение поршня в BMT и объем камеры сгорания Vc, б— положение поршня в НМТ и рабочий объем цилиндра Vf, в— полный объем цилиндра V
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
Дополнительные материалы по теме:
Объем, освобождаемый поршнем при движении от ВМТ до НМТ, называется рабочим объемом цилиндра. Сумма рабочих объемов всех цилиндров многоцилиндрового двигателя, выраженная в литрах, называется литражом. Объем над поршнем, находящемся в ВМТ, называется объемом камеры сгорания Сумма рабочего объема и объема камеры сгорания называется полным объемом цилиндра Vn.
Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия. При увеличении степени сжатия повышаются экономичность и мощность двигателя. Однако повышение степени сжатия в карбюраторном двигателе ограничено стойкостью топлива к детонации. Степень сжатия в карбюраторных двигателях находится в пределах от 6 до 10, а в дизельных — от 14 до 21.
Мощность, развиваемая газами в цилиндрах двигателя при сгорании топлива, называется индикаторной, а снимаемая с коленчатого вала — эффективной. Последняя на 15—25% меньше индикаторной из-за потерь на трение в двигателе, приведение в движение его механизмов и совершение вспомогательных тактов.
Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового двигателя осуществляется следующим образом.
Рис. 2. Схемы рабочего цикла четырехтактного карбюраторного двигателя:
1 — коленчатый вал, 2 — шатун, 3 — поршневой палец, 4 — поршень, 5 — свеча зажигания, 6 — впускной клапан, 7 — выпускной клапан
Первый такт — впуск. При движении поршня от ВМТ к НМТ в цилиндре создается разрежение до 0,07—0,08 МПа, под действием которого через открывающийся впускной клапан в цилиндр поступает горючая смесь (в карбюраторном двигателе) или воздух (в дизельном двигателе). В цилиндре она смешивается с оставшимися в нем от предыдущего рабочего цикла отработавшими
газами и образует рабочую смесь с температурой 100—130 °С.
Второй такт — сжатие. Поршень движется вверх, оба клапана закрыты, происходит сжатие рабочей смеси до 0,8—1,2 МПа в карбюраторных двигателях (в дизельных до 3,0—3,5 МПа) и повышение ее температуры до 300—480° С (в дизельных до 600—700 °С).
В конце такта сжатия в дизельном двигателе в цилиндр впрыскивается через форсунку под давлением 10—20 МПа дизельное топливо, которое, смешиваясь с воздухом, образует рабочую смесь.
Третий такт — рабочий ход (расширение). В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется (электрической искрой в карбюраторных двигателях и от сжатия в дизельных) и быстро сгорает (скорость горения 0,001—0,002 с). При этом температура повышается до 2000—2500 °С (в дизельных до 1800—2000° С), а давление возрастает до 3,5—4,0 МПа (в дизельных до 5—8 МПа). Сила давления газов перемещает поршень от ВМТ к НМТ и передается от поршня через поршневой палец и шатун на коленчатый вал, создавая на нем крутящий момент.
Четвертый такт — выпуск. Поршень вновь движется к ВМТ и под давлением 0,11—0,12 МПа выталкивает отработавшие газы, имеющие температуру 800—1000 °С, в атмосферу через открытый выпускной клапан, после чего цикл повторяется.
Из рассмотренного рабочего цикла двигателя видно, что полезная работа совершается в течение только одного такта — рабочего хода, остальные же три такта являются вспомогательными и на их осуществление затрачивается энергия, накопленная маховиком.
Для получения большей мощности и равномерности вращения коленчатого вала двигатели делают многоцилиндровыми.
Строение двигателей / Хабр
Недавно наткнулся на прекрасный сайт (англ.), который по полочкам размусоливает и показывает строение большинства типов двигателей. Попытаюсь вольно и сжато пересказать самое на мой взгляд главное, совсем по пальцам и как для самых маленьких. Конечно можно было бы позаимствовать точные определения из авторитетных источников, но такой любительский перевод обещает быть единственным в своем роде 🙂
А можете ли Вы сходу объяснить Вашей девушке, в чем отличие бензинового двигателя от дизельного? Четырёхтактного и двухтактного движков? Нет? Тогда приглашаю под кат.
Работающий четырёхтактный двигатель впервые был представлен немецким инженером Николаусом Отто в 1876, с этих пор он также известен под названием цикл Отто. Но все же корректнее называть его четырёхтактным. Четырёхтактный двигатель является, наверное, одним из самых распространенных типов двигателей в наше время. Он используется почти во всех автомобилях и грузовиках.
Под четырьма тактами подразумеваются: впуск, сжатие, рабочий ход, и выпуск. Каждый такт соответствует одному ходу поршня, вследствие этого рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за два оборота коленчатого вала.
Впуск
Во время впуска поршень двигается вниз, втягивая свежую порцию воздушно-топливной смеси через впускной клапан. Отличительной особенностью рассматриваемого двигателя являтся то, что впускной клапан открывается за счет вакуума, образовавшегося в результате движения поршня вниз.
Сжатие
Крутящий момент подымает поршень, а тот в свою очередь сжимает воздушно-топливную смесь.
Впускной клапан закрывается возрастающей силой давления, возникшей в результате поднятия поршня.
Рабочий ход
В верхней точке такта сжатия искра воспламеняет сжатое топливо. При сгорании топлива высвобождается энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз.
Выпуск
Когда поршень достигает свою нижнюю точку, выпускной клапан открывается и выхлопные газы выгоняются из цилиндра движущимся наверх поршнем.
В двухтактном двигателе рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня. Такты сжатия и рабочего хода в двухтактном двигателе происходят так же, как и в четырехтактном, но процессы очистки и наполнения цилиндра совмещены и осуществляются не в рамках отдельных тактов, а за короткое время, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки, с помощью вспомогательного агрегата — продувочного насоса. Wiki
Так как в двухтактном двигателе на каждое движение коленчатого вала приходится один рабочий ход — двухтактные двигатели всегда мощнее четырехтактных (если брать двигатели одинакового объема).
Важным фактором в пользу первых является их более простая и легкая конструкция. Эти двигатели получили распространение в бензо-пилах, лодочных моторах, снегоходах, легких мотоциклах и моделях самолетов.
Бесспорными минусами данного типа двигателей являются их неэкономичность, так как значительная доля топлива не выгорает и выбрасывается вместе с выхлопными газами.
Впуск
Воздушно-топливная смесь всасывается в кривошипную камеру благодаря ваккууму, который создается во время движения поршня вверх.
Сжатие в камере сгорания
Во время сжатия впусковой клапан закрывается давлением в кривошипной камере. Топливная смесь сжимается на последней стадии такта.
Движение топливной смеси/выпуск
Ближе к концу такта, поршень заставляет сжатую воздушно-топливную смесь двигаться по впускному каналу из кривошипной камеры в главный цилиндр. Воздушно-топливная смесь вытесняет выхлопные газы, которые покидают главный цилиндр через выпускной клапан.
К сожалению, цилиндр также покидает некоторое количество невыгоревшего топлива, из-за чего конструкция двухтактного двигателя считается менее экономичной.
Сжатие
После чего поршень подымается, движимый крутящим моментом, и сжимает топливную смесь. (В этот момент под поршнем происходит следующий такт впуска).
Рабочий ход
На вершине такта свеча зажигания воспламеняет топливную смесь. Возникшая энергия заставляет поршень двигаться вниз до завершения цикла. (В этот момент внизу цилиндра топливо сжимается в кривошипной камере).
Особенностью дизельного двигателя является измененная система воспламенения топлива.
Создав свой тип двигателя в 1897 Рудольф Дизель заявил, что его двигатель является самым эффективным из когда-либо созданных. До сих пор его детище стоит в ряду самых экономичных двигателей.
Впуск
Впускной клапан открывается и свежий воздух (без топлива), засасывается в цилиндр.
Сжатие
Когда поршень подымается, воздух сжимается и температура в цилиндре возрастает.
В конце такта воздух раскаляется настолько, что температуры становится достаточно дря воспламенения топлива
Впрыск
Возле вершины такта сжатия топливный инжектор впрыскивает топливо в цилиндр. При контакте с горячим воздухом топливо воспламеняется.
Рабочий ход
При сгорании топлива высвобождается энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз.
Выпуск
Выпускной клапан открывается, заставляя выхлопные газы покинуть цилиндр.
Роторно-поршневой двигатель Ванкеля удивительное творение, предлагающее очень замысловатую перепланировку четырех тактов Отто-цикла. Был разработан Феликсом Ванкелем в 50-х годах прошлого века.
В двигателе Ванкеля трехгранный ротор с кольцевой шестернью вращается вокруг фиксированого зубчатого вала в продолговатой камере.
В наше время наибольшие усилия по разработке и популяризации данного типа двигателя прилагает Mazda, но все же четерыхтактный двигатель остается наиболее популярным.
Также АвтоВАЗ использует данный тип двигателя в автожирах.
- Преимущества перед обычными бензиновыми двигателями:
- низкий уровень вибраций. Роторно-поршневой двигатель полностью механически уравновешен, что позволяет повысить комфортность лёгких транспортных средств типа микроавтомобилей, мотокаров и юникаров
- главным преимуществом роторно-поршневого двигателя являются отличные динамические характеристики: на низкой передаче возможно без излишней нагрузки на двигатель разогнать машину выше 100 км/ч на более высоких оборотах двигателя (8000 об/мин и более), чем в случае конструкции обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.
- Высокая удельная мощность(л.с./кг), причины:
- меньшие в 1,5-2 раза габаритные размеры.
- меньшее на 35-40 % число деталей
- Недостатки:
- Быстрый износ
- Склонности к перегреву
- Сложность в производстве
- Меньшая экономичность при низких оборотах
Впуск
Воздушно-топливная смесь попадает через впускной клапан на этом этапе вращения.
Сжатие
Топливная смесь сжимается здесь.
Рабочий ход
Рабочий ход, топливная смесь воспламеняется здесь, вращая ротор по кругу.
Выпуск
Выхлопные газы выходят здесь
Этот типа двигателя может приводится в действие паром, но чаще его можно встретить в маленьких моделях самолетов, где он работает на сжатом воздухе или углекислом газу.
На этой анимации отображен резервуар с CO2. Сжатый CO2 — это жидкость, которая освобождаясь переходит в газообразное состояние или же другими словами — при нормальных атмосферной температуре и давлении жидкий углекислый газ кипит, следовательно мы не ошибемся если скажем, что данный тип двигателя работает на пару CO2.
Впуск
На вершине цикла поршневой палец давит на шариковый клапан впуская находящийся под большим давлением газ в цилиндр.
Рабочий ход
Газ расширяется двигая поршень вниз
Выпуск
Когда поршень открывается выпускной клапан, находящийся под давлением газ покидает цилиндр.
Окончание
Крутящий момент возвращается поршень наверх, чтобы завершить цикл.
Ракетные и турбореактивные двигатели, по словам автора, поразительны по своей конструкции, но анимация их работы по его мнению слишком скучна.
Ракетный двигатель
Ракетный двигатель — простейшие из своего семейства, поэтому начнем с него.
Для того, что функционировать в открытом космосе ракетные двигатели для своей работы требуют запас кислорода, ровно как и топлива. Кислородно-топливная смесь впрыскивается в камеру сгорания где она беспрерывно сгорает. Газ под большим давлением выходит через сопла, вызывая тягу в обратном направлении.
Чтобы опробовать этот принцип самому, надуйте игрушечный шарик и выпустите его из рук — ракетный двигатель работает почти так-же 😉
Турбореактивный двигатель
Турбореактивный двигатель работает по тому-же принципу что и ракетный, с той лишь особенностью, что необходимый для горения кислород он берет из атмосферы.
По своей конструкции он наиболее эффективен на больших высотах с разряженным воздухом.
Момент схожести: топливо беспрерывно сгорает в камере сгорания как и в ракетном. Расширевшийся газ покидает камеру сгорания через сопла, образуя тягу в обратном направлении.
Отличия: На своем пути из сопла некоторое количество давления газа ипользуется, чтобы раскрутить турбину. Турбина — это серия винтов, соединенныходним валом. Между каждой парой винтов находится статор (направляющий аппарат компрессора). Этот аппарат помогает газу проходить через лопасти винтов более эффективно.
Перед двигателем турбинный вал раскручивает компрессор. Компрессор работает схоже с турбиной, только в обратную сторону. Его функцией является повышение давления воздуха, попадающего в двигатель. Турбина выталкивает воздух, а компрессор засасывает.
Турбовинтовой двигатель
Турбовинтовой двигатель схож турбореактивным, с той лишь особенностью, что газ покидающий камеру сгорания вращает в большей степени турбину, которая в свою очередь вращает винт преед двигателем.
Он и создает тягу. Эффективен на малых высотах.
Турбовентиляторный двигатель
Турбовентиляторный двигатель — это что вроде компромисса между турбореактивным и турбовинтовым. Он работает как турбореактивный, но есть одна особенность: турбинный вал вращает внешний вентялятор, который имеет больше лопастей и крутится быстрее пропеллера. Это помогает данному двигателю оставаться эффективным на больших высотах, где воздух рязряжен.
Источники:
www.animatedengines.com
- Ultimate Visual Dictionary, DK Publishing Inc., 1999
- Building the Atkinson Cycle Engine, Vincent Gingery, David J Gingery Publishing, 1996
- The Stirling Engine Manual, James G. Rizzo, Camden Miniature Steam Services, 1995
- Modern Locomotive Construction, J. G. A. Meyer, 1892, reprinted by Lindsay Publications Inc., 1994
- Five Hundred and Seven Mechanical Movements, Henry T. Brown, 1896, reprinted by The Astragal Press, 1995
- Model Machines/Replica Steam Models, Marlyn Hadley, Model Machine Co.
, 1999 - Air Board Technical Notes, RAF Air Board, 1917, reprinted by Camden Miniature Steam Services, 1997
- Internal Fire, Lyle Cummins, Carnot Press, 1976
- Toyota Web site Prius specifications
- Steam and Stirling Engines you can build, book 2, various authors, Village Press, 1994
- Knight’s New American Mechanical Dictionary, Supplement Edward H. Knight, A.M., LL. D., Houghton, Mifflin and Company, 1884
- Thomas Newcomen, The Prehistory of the Steam Engine L. T. C. Rolt, David and Charles Limited, 1963
- An Introduction to Low Temperature Differential Stirling Engines James R. Senft, Moriya Press, 1996
- An Introduction to Stirling Engines James R. Senft, Moriya Press, 1993
, 1999
UPD: Добавил двигатели Ванкеля и CO2, они мне показались наиболее интересными и практически полезными.
UPD2: Добавил описание целого семейства реактивных двигателей: ракетный, турбореактивный, турбовинтовой, турбовентиляторный.
Четырехтактный цикл сгорания
Автомобильные двигатели — одно из величайших чудес современной техники, способное перемещать транспортные средства весом в несколько тонн на большие расстояния. Тем не менее, основные принципы работы двигателя остаются загадкой для многих автовладельцев. К сожалению, отсутствие знаний в области механики часто затрудняет обнаружение проблем с двигателем для владельцев автомобилей.
Двигатель вырабатывает энергию внутри цилиндров. Там смесь бензина и воздуха сгорает под огромным давлением. Каждый цикл сгорания состоит из четырех различных тактов, соответствующих движению поршня. В этой статье мы более подробно рассмотрим каждый из четырех тактов цикла двигателя.
1. Впуск
Прежде чем углубляться в особенности такта впуска, вы должны понять два ключевых термина, используемых для описания положения поршня. Верхняя мертвая точка — часто сокращенно ВМТ — относится к поршню, находящемуся на максимальном расстоянии от коленчатого вала.
Нижняя мертвая точка, или НМТ, относится к поршню в его ближайшей точке к коленчатому валу.
В ВМТ пространство внутри цилиндра минимально. В BDC пространство самое большое. Во время такта впуска поршень внутри цилиндра движется от ВМТ к НМТ. Это движение снижает давление в цилиндре за счет увеличения его объема. Разность давлений внутри и снаружи цилиндра заставляет топливно-воздушную смесь течь из впускного коллектора в цилиндр.
Топливно-воздушная смесь поступает в цилиндр двигателя через впускной клапан с соответствующим названием. Как только поршень достигает НМТ, впускной клапан закрывается. Это эффективно улавливает смесь воздуха и топлива внутри цилиндра. Цилиндр также содержит выпускной клапан, который также остается закрытым в течение всего такта впуска.
2. Сжатие
Как только поршень достигает НМТ, он плавно меняет курс. Это изменение направления отмечает начало фазы сжатия. В фазе сжатия поршень возвращается в ВМТ. При этом он выталкивает воздушно-топливную смесь во все меньшее и меньшее пространство.
Это сжатие увеличивает давление смеси, а также ее температуру.
Тепло, выделяемое во время такта сжатия, приводит к тому, что часть топлива в смеси испаряется, превращаясь из жидкости в газ. Благодаря более равномерному распределению топлива в воздухе это испарение помогает увеличить количество энергии, вырабатываемой при сгорании. Чем лучше распределено топливо, тем полнее оно сгорит.
Возгорание происходит в результате искры, воспламеняемой свечой зажигания. Многие люди предполагают, что свеча зажигания срабатывает, когда поршень достигает ВМТ. Тем не менее, свеча зажигания срабатывает за долю секунды до того, как поршень достигает максимального сжатия. Этот зазор составляет время, необходимое искре для воспламенения воздушно-топливной смеси.
3. Сгорание
В идеале, если синхронизация свечи зажигания правильная, воздушно-топливная смесь должна воспламениться, как только поршень достигнет ВМТ. Сила, возникающая при сгорании, затем работает в тандеме с естественным движением поршня обратно к НМТ.
Этот такт называется тактом сгорания или рабочим тактом.
Увеличенная скорость поршня во время такта сгорания создает крутящий момент на коленчатом валу двигателя. Этот крутящий момент приводит в действие трансмиссию, которая, в свою очередь, приводит в движение ваши колеса. Впускной клапан цилиндра и выпускной клапан остаются закрытыми во время такта сгорания.
4. Выпуск
Во время такта выпуска поршень снова возвращается в ВМТ. Однако в этот момент открывается выпускной клапан. Таким образом, поскольку поршень уменьшает объем внутри цилиндра, он выталкивает выхлопные газы, образующиеся при сгорании, из двигателя. К тому времени, когда поршень достигнет ВМТ, все выхлопные газы должны уйти. Затем цикл может начаться снова.
Для получения дополнительной информации о работе вашего двигателя, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к автомобильным экспертам Pinole в авторемонтной мастерской Letcher Bros.
Это анимированный компьютерный рисунок одного цилиндра Райта. Дизайн братьев очень прост по сегодняшним меркам, так что это хороший Ход впуска Двигатель Впускной клапан открыт, и топливо и воздух проходят мимо клапана. Цилиндр и камера сгорания заполнены топливно-воздушной смесью низкого давления. Историческая справка — Ход сжатия Когда оба клапана закрыты, комбинация цилиндра и камеры сгорания Во время сжатия нет Рабочий ход В начале рабочего хода электрический контакт размыкается. Поскольку впускной и выпускной клапаны закрыты, сгорание В отличие от такта сжатия, горячий газ воздействует на поршень во время рабочего такта. Сила В рабочем такте объем, занимаемый газами Историческая справка — Способ получения электрической искры Такт выпуска В конце рабочего такта поршень находится в крайнем левом положении. Нагрейте это Назначение выхлопа В конце такта выпуска выпускной клапан закрывается и двигатель Историческая справка — Выхлопная система братьев Райт  |
Мы также представляем топливно-воздушную смесь и выхлопные газы небольшими
