4. Четырехтактный цикл двигателя

Рассмотрим процессы, происходящие последовательно в цилиндре четырехтактного двигателя, предполагая, что двигатель работает при полном открытии дроссельной заслонки, потери на трение в двигателе отсутствуют и давление воздуха в картере двигателя постоянно и равно атмосферному.

Впуск

В конце такта выпуска поршень начинает перемещаться от верхней мертвой точки к нижней, впускной клапан открывается. В результате перемещения поршня в такте впуска давление в цилиндре понижается до 0,8–0,85 кг/см², вследствие чего в него поступает горючая смесь. Во время впуска горючая смесь нагревается, а в конце впуска температура ее достигает 50-100 °C.

Раннее открытие впускного клапана позволяет создать проходное сечение в клапане достаточной величины к началу перемещения поршня от верхней мертвой точки к нижней, а также использовать для лучшего наполнения цилиндров подпор горючей смеси во впускном патрубке и отсасывающее действие отработавших газов в конце такта выпуска предыдущего рабочего цикла.

Изменение давления газов в цилиндре двигателя при перемещении поршня от верхней мертвой точки к нижней в такте впуска показано графически на рис. 5.

Рис. 5. Процесс впуска четырехтактного двигателя: V_c — объем камеры сжатия; Vh — рабочий объем цилиндра; Р — давление внешнего воздуха; r — начало такта впуска; а — конец такта впуска.

На линии ОР отложено давление (в кг/см²) в цилиндре двигателя, на линии OV — объем цилиндра. Расстояние V_c соответствует объему камеры сжатия, V_h — рабочему объему цилиндра. Отложим на линии ОР расстояние ОР_0, соответствующее давлению в 1 кг/см², и проведем через точку Р₀ линию, параллельную линии OV. Эта линия называется атмосферной линией и соответствует давлению внешнего воздуха. Кривая га показывает изменение давления в цилиндре двигателя в такте впуска.

Как было указано выше, на каждый квадратный сантиметр площади днища поршня в цилиндре будет действовать давление, равное примерно 0,8–0,85 кг. Если считать, что давление в картере постоянно и равно 1 кг/см², то на поршень будет действовать сила, направленная от нижней мертвой точки к верхней и равная разности давлений в цилиндре и в картере (0,15—0,2 кг/см), помноженной на площадь поршня. Поэтому для перемещения поршня от верхней мертвой точки до нижней затрачивается работа, равная произведению силы, действующей на поршень, на путь, проходимый поршнем от верхней мертвой точки к нижней.

Таким образом, при перемещении поршня от верхней мертвой точки к нижней в такте впуска некоторая часть работы двигателя затрачивается на заполнение цилиндров двигателя горючей смесью. Эта работа может быть совершена за счет использования энергии, накопленной в маховике за предыдущий рабочий цикл. Она называется насосной работой (или насосными потерями).

Сжатие

При перемещении поршня от нижней мертвой точки к верхней происходит сжатие рабочей смеси. Так как в конце впуска (рис. 6, точка а), что соответствует началу сжатия, давление в цилиндре двигателя ниже давления внешнего воздуха, то поступление в цилиндр горючей смеси возможно и на некотором ходе поршня от нижней мертвой точки к верхней.

Рис. 6. Процесс сжатия четырехтактного двигателя: а — начало такта сжатия; а' — точка, соответствующая давлению в 1 кг/см2; с' — момент зажигания; с" — конец такта сжатия.

Поэтому впускной клапан закрывается через 50–80° поворота коленчатого вала после нижней мертвой точки.

При перемещении поршня от нижней мертвой точки к верхней давление в цилиндре двигателя начинает повышаться и в точке а достигает 1 кг/см². При дальнейшем перемещений поршня к верхней мертвой точке рабочая смесь в цилиндре двигателя сжимается и давление в цилиндре возрастает. Увеличение давления в цилиндре двигателя происходит не только за счет сжатия, но и за счет нагревания рабочей смеси от горячих стенок цилиндра, днища поршня, впускных и выпускных клапанов.

Температура в конце сжатия может быть в пределах 350–400 °C, а конечное давление в цилиндре двигателя при степени сжатия 5–8 достигает 8—12 кг/см².

В конце такта сжатия происходит зажигание рабочей смеси. Однако еще до конца такта сжатия давление в цилиндре повышается в основном за счет продолжающегося сжатия рабочей смеси. За этот период сгорает с малой скоростью некоторое очень небольшое количество рабочей смеси около электродов свечи.

Работа, затрачиваемая на сжатие рабочей смеси, увеличивается по мере перемещения поршня к верхней мертвой точке. В каждый отдельный момент сила, действующая на поршень по направлению от нижней мертвой точки к верхней, будет равна произведению разности давлений над поршнем и под поршнем в этот момент на площадь днища поршня. Эта сила противодействует перемещению, поршня к верхней мертвой точке и на ее преодоление затрачивается энергия, запасенная маховиком во время предыдущего рабочего цикла.

Расширение

В такте расширения происходит сгорание рабочей смеси в течение 0,002—0,003 секунды, причем горение распространяется со скоростью 20–40 м в секунду.

На рис. 7 показано изменение давления в цилиндре двигателя в процессе такта расширения.

Рис. 7. Процесс расширения четырехтактного двигателя: с" — конец такта сжатия; е — начало открытия выпускного клапана; c' — конец расширения, Z — конец видимого горения.

В начале такта расширения начинается быстрое сгорание рабочей смеси и резкое повышение давления в цилиндре до конца видимого горения (точка Z). В этом случае давление в цилиндре двигателя возрастет от 8—12 кг/см² до 30–40 кг/см² при температуре газов 2200–2400 °C.

При нормально работающем двигателе давление газов в цилиндре двигателя достигнет максимальной величины в момент, когда коленчатый вал двигателя повернется на 15–20° после верхней мертвой точки. За точкой Z горение в цилиндре двигателя продолжится, но вследствие быстрого перемещения поршня к нижней мертвой точке объем газов резко увеличится и при этом горючее будет догорать с замедленной скоростью.

Обычно за 30–80° до нижней мертвой точки открывается выпускной клапан. В момент открытия выпускного клапана давление в цилиндре двигателя достигает 4–5 кг/см². Благодаря раннему открытию выпускного клапана уже в начале его открытия до 75 % продуктов сгорания выбрасывается из цилиндра двигателя под действием давления газов. В конце расширения давление газов в цилиндре падает до 1,2–1,4 кг/см², а температура понижается до 1000–1100 °C. Отметим, что поршень при своем движении от нижней мертвой точки к верхней в такте выпуска испытывает небольшое давление газов. Таким образом, раннее открытие выпускного клапана необходимо для более быстрого освобождения цилиндров от горячих отработавших газов и для облегчения работы поршня по выталкиванию их из цилиндров в такте выпуска.

Возникающая в цилиндре двигателя сила давления, образующаяся в результате расширения газов, производит полезную работу, перемещая поршень от верхней мертвой точки к нижней. В каждый отдельный момент сила, действующая на поршень по направлению от верхней мертвой точки к — нижней, будет равна произведению разности давлений под поршнем и над поршнем на площадь днища поршня.

Выпуск

После такта расширения поршень начинает перемещаться от нижней мертвой точки к верхней, выталкивая из цилиндра отработавшие газы.

На рис. 8 показано изменение давления в цилиндре двигателя в такте выпуска.

Рис. 8. Процесс выпуска четырехтактного двигателя: а — начало такта сжатия; а' — точка, соответствующая давлению в 1 кг/см²; r — конец такта выпуска, c" — конец такта сжатия; Z — конец видимого сгорания; е" — конец расширения.

Величина давления в цилиндре двигателя изменяется по кривой от 1,3–1,5 кг/см² в точке е" до 1,15—1,2 кг/см² в точке r. Отработавшие газы выталкиваются из цилиндра поршнем за счет использования энергии, запасенной в маховике во время такта расширения.

При подходе поршня к верхней мертвой точке скорость поршня уменьшается. В это время отработавшие газы по инерции продолжают с большой скоростью уходить в выпускную трубу. Это явление используется для улучшения очистки цилиндров, и поэтому выпускной клапан закрывается после того, как поршень начал двигаться от верхней мертвой точки к нижней.

Так как впускной клапан открывается за 10–70° до верхней мертвой точки, а выпускной закрывается после верхней мертвой точки, то происходит перекрытие клапанов, при котором и впускной и выпускной клапаны одновременно открыты. В этот период свежая горючая смесь поступает в цилиндры.

При перемещении поршня от нижней мертвой точки к верхней на него действует сила, величина которой в каждый отдельный момент равна произведению разности давлений над поршнем и под поршнем на площадь днища поршня.

Диаграмма, на которой показано изменение давления в цилиндре двигателя за время рабочего цикла, называется индикаторной диаграммой, так как это изменение давления записывается особым прибором — индикатором.

Рассмотрим порознь изменение давления на тактах впуска и выпуска (рис. 9) и на тактах сжатия и расширения.

Рис. 9. Диаграмма насосных потерь четырехтактного двигателя: V_c — объём камеры сжатия; Vh — рабочий объем цилиндра.

Механические потери в двигателе складываются из работы, затрачиваемой на преодоление трения в двигателе, на привод вспомогательных механизмов двигателя и на насосные потери. Механические потери в двигателе обычно определяются путем проворачивания коленчатого вала двигателя от электромотора. При вращении коленчатого вала электромотор затрачивает мощность не только на преодоление трения между рабочими деталями двигателя и на привод вспомогательных механизмов, но и на впуск воздуха в цилиндры двигателя и выпуск его из цилиндров.

На рис. 10 показано изменение давления в цилиндре двигателя во время тактов сжатия и расширения. Изменение давления в цилиндре двигателя на такте сжатия изображено на диаграмме линией ас".

Рис. 10. Индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя: Z — начало сгорания; c' — конец расширения; а — начало такта сжатия; c" — конец такта сжатия; r — конец такта выпуска.

Как было указано ранее, работа, затрачиваемая на сжатие рабочей смеси в цилиндре двигателя, является работой вспомогательной. На ее совершение затрачивается энергия, запасенная в маховике во время предыдущего рабочего цикла.

Изменение давления в цилиндре на такте расширения изображено на диаграмме линией cZa. Работа, совершаемая газами во время такта расширения и запасенная в маховике, частично затрачивается на сжатие рабочей смеси в цилиндре двигателя. Остальная часть работы используется на преодоление трения в двигателе, на насосные потери, на преодоление трения в силовой передаче мотоцикла и на перемещение мотоцикла по дороге во время его движения. Эта работа носит название полезной.

Полезная работа, развиваемая за один рабочий цикл, равна разности работы, получаемой при расширении, и работы, затрачиваемой на сжатие. Следовательно, полезная работа двигателя, используемая за один цикл, может быть представлена в виде площади, ограничиваемой кривой ас" Zе'а (рис. 11).

Рис. 11. Среднее индикаторное давление четырехтактного двигателя: а — начало такта сжатия; c" — конец такта сжатия; Z — конец видимого горения; е' — конец расширения.

Но полезная работа, развиваемая газами в цилиндре двигателя, может быть представлена на диаграмме не в виде площади, ограниченной линией Ос" Zа и имеющей сложную форму, а в виде равновеликого ей прямоугольника, длина которого соответствует расстоянию, проходимому поршнем от одной мертвой точки до другой, а высота равна средней высоте индикаторной диаграммы.

Так как давление газов в кг/см² откладывалось на вертикали в определенном масштабе, то высота прямоугольника представляет собой среднее индикаторное давление, которое является условным постоянным давлением, действующим на поршень при его перемещении от верхней мертвой точки к нижней. Полезная работа, совершаемая газами при постоянном среднем индикаторном давлении, будет равна полезной работе, совершаемой газами в цилиндре двигателя при переменном давлении, изменение которого показано на диаграмме.

Мощность, развиваемая газами в цилиндре двигателя, носит название индикаторной мощности. Зная среднее индикаторное давление, легко подсчитать индикаторную мощность. Для этого следует помножить величину среднего индикаторного давления (в кг/см²) на площадь поршня (в см²). Произведение будет равно силе (в кг), действующей на поршень во время всего его хода.

Произведение силы на путь поршня, проходимый им от одной мертвой точки до другой, равно работе (в кгм), совершаемой газами за рабочий цикл.

Для определения индикаторной мощности необходимо знать число рабочих циклов, совершаемых в цилиндре двигателя в одну секунду. Поскольку обычно известно число оборотов двигателя в одну минуту, то, разделив это число на 60, подсчитаем число оборотов в одну секунду. Так как при четырехтактном процессе один цикл совершается за два оборота коленчатого вала, то разделив на два число оборотов коленчатого вала за одну секунду, узнаем число рабочих циклов в одну секунду.

Если работа, совершаемая за один цикл (в кгм), известна, то, помножив ее величину на число рабочих циклов в одну секунду, подсчитаем мощность (в кгм/сек), развиваемую двигателем. Обычно мощность двигателя исчисляется в лошадиных силах, а одна лошадиная сила равна 75 кгм/сек. Следовательно, разделив полученную мощность двигателя в кгм/сек на 75 кгм/сек, получим мощность двигателя в лошадиных силах.

5. Двухтактный цикл двигателя222.

Схема работы мотоциклетного двухтактного двигателя представлена на рис. 12.

Рис. 12. Схема работы двухтактного двигателя: а — сжатие рабочей смеси в цилиндре двигателя и впуск горючей смеси в кривошипную камеру; б — расширение в цилиндре двигателя и сжатие горючей смеси в кривошипной камере; в — продувка цилиндра горючей смесью; г — начало сжатия рабочей смеси в цилиндре двигателя.

Цилиндр двигателя укреплен на кривошипной камере. На боковых стенках цилиндра внизу расположены три окна: продувочное окно, сообщающее каналом цилиндр с кривошипной камерой, выпускное окно, сообщающее цилиндр с внешней средой, и впускное окно, сообщающее кривошипную камеру с карбюратором. Верхняя кромка выпускного окна находится несколько выше верхней кромки продувочного окна. Нижняя кромка выпускного и продувочного окон расположены на уровне днища поршня при его положении в нижней мертвой точке.

Рассмотрим рабочий процесс двухтактного двигателя. Предположим, что за предыдущий рабочий цикл произошло сжатие рабочей смеси в кривошипной камере и цилиндр двигателя в основном заполнен свежей горючей смесью, поступившей через продувочное окно из кривошипной камеры.

При перемещении от нижней мертвой точки к верхней поршень вначале перекрывает своей боковой стенкой продувочное окно, а затем открывает впускное окно. Так как при перемещении поршня к верхней мертвой точке объем кривошипной камеры увеличивается, в камере создается разрежение. Атмосферный воздух, проходя через смесительную камеру карбюратора, под действием разрежения подхватывает капельки горючего, выходящего из распылителя карбюратора, обдувая их, тем самым способствует испарению.

Образующаяся горючая смесь поступает в кривошипную камеру. Испарение оставшихся в горючей смеси капелек горючего будет продолжаться в кривошипной камере за счет отбора тепла от горячих стенок цилиндра, поршня и кривошипной камеры. Когда поршень дойдет до верхней мертвой точки, давление горючей смеси в кривошипной камере достигнет 0,8 кг/см².

В дальнейшем, при перемещении поршня от верхней мертвой точки к нижней, объем кривошипной камеры начинает уменьшаться, но на некотором участке хода поршня горючая смесь продолжает поступать из карбюратора в кривошипную камеру, так как в этот период давление в камере ниже, чем внешнее. Впускное окно закрывается в момент выравнивания внешнего давления и давления в кривошипной камере. После закрытия впускного окна давление горючей смеси продолжает повышаться за счет ее сжатия и нагревания от стенок поршня и цилиндра.

При подходе к нижней мертвой точке поршень сначала откроет выпускное, а затем и продувочное окно. К моменту открытия продувочного окна давление в кривошипной камере достигнет 1,3 кг/см². После открытия продувочного окна горючая смесь из кривошипной камеры поступает на продувку цилиндра и при положении поршня в нижней мертвой точке давление в кривошипной камере упадет до 1,02—1,05 кг/см². Температура рабочей смеси равна при этом 100–150 °C.

Окончание впуска и сжатие рабочей смеси

При положении поршня в нижней мертвой точке продолжается поступление горючей смеси из кривошипной камеры в цилиндр двигателя (рис. 12, в).

Поскольку давление рабочей смеси в картере двигателя несколько больше, чем в цилиндре, то в начале перемещения поршня от нижней мертвой точки к верхней продолжается продувка цилиндра горючей смесью. При этом горючая смесь перемешивается с остаточными газами. Продувка закончится в момент перекрытия поршнем продувочного окна.

При дальнейшем перемещении поршня вверх некоторая часть рабочей смеси выталкивается поршнем в выпускное окно и только после перекрытия поршнем выпускного окна начинается сжатие рабочей смеси в цилиндре двигателя. Поэтому перемещение поршня от нижней мертвой точки до момента перекрытия поршнем выпускного окна называется потерянным ходом.

Остальная часть хода до верхней мертвой точки называется полезным ходом.

В процессе сжатия рабочая смесь в цилиндре двигателя нагревается, и к концу сжатия давление в цилиндре достигает 5–7 кг/см², а температура 350–400 °C.

На рис. 13 показано изменение давления в цилиндре двигателя в такте сжатия.

Рис. 13. Процесс сжатия в двухтактном двигателе: V_c —объем камеры сгорания; рабочий объем цилиндра; а' — начало сжатия; с'' — конец сжатия; Z — конец видимого горения; е — начало выпуска.

На линии ОР отложено в масштабе давление (Р, кг/см²) в цилиндре двигателя, на линии OV — объем цилиндра. Расстояние V_c соответствует объему камеры сгорания, V_h — рабочему объему цилиндра.

Отложим на линии ОР расстояние ОР₀, соответствующее давлению в 1 кг/см², и проведем через точку Р₀ линию, параллельную линии OV. Линия Р₀а, называемая атмосферной линией, соответствует давлению внешнего воздуха. Линия a'с'' показывает изменение давления в цилиндре в такте сжатия.

Давление и температура рабочей смеси в конце сжатия в цилиндре двухтактного двигателя будут меньше, чем у подобного четырехтактного двигателя. Это в основном вызывается утечкой рабочей смеси из цилиндра за счет запаздывания закрытия выпускного окна и повышенным содержанием в рабочей смеси отработавших газов.

При перемещении поршня от нижней мертвой точки к верхней до момента перекрытия поршнем продувочного окна горючая смесь из кривошипной камеры продолжает поступать в цилиндр двигателя После перекрытия поршнем продувочного окна в кривошипной камере снова создается разрежение и снова горючая смесь поступает из карбюратора в кривошипную камеру.

Расширение, выпуск и начало продувки

В конце хода сжатия осуществляется зажигание рабочей смеси искрой, проскакивающей между электродами запальной свечи.

Воспламенение рабочей смеси начинается несколько ранее верхней мертвой точки (в точке с' на рис. 14) и продолжается после того, как поршень после верхней мертвой точки начнет перемещаться к нижней мертвой точке.

Рис. 14. Процесс сгорания — расширения в двухтактном двигателе: а' — начало сжатия; а — конец выпуска; с' — момент зажигания; с'' — конец сжатия; Z — конец видимого горения; е — начало выпуска.

При правильно подобранном моменте зажигания и наивыгоднейшем соотношении горючего и воздуха в рабочей смеси максимальное давление в цилиндре двигателя наступит, когда коленчатый вал повернется на 15–20° после верхней мертвой точки. При полном открытии дроссельного золотника максимальное давление достигнет 30–35 кг/см², температура газов в этот момент повысится до 2000–2200 °C.

При дальнейшем перемещении поршня вниз происходит догорание рабочей смеси и расширение газов.

К моменту открытия выпускного окна давление в цилиндре уменьшается До 3–5 кг/см² и температура газов — до 700-1000 °C.

После открытия выпускного окна давление в цилиндре резко падает. Через 5—15° поворота коленчатого вала после открытия продувочного окна оно равно примерно 1,2–1,25 кг/см², т. е. из цилиндра к этому моменту выйдет почти 70 % всего объема отработавших газов. При перемещении от верхней мертвой точки к нижней поршень снова сжимает в кривошипной камере поступившую туда из карбюратора горючую смесь. С момента открытия продувочного окна начинается выталкивание поступающей из кривошипной камеры горючей смеси и находящихся еще в цилиндре отработавших газов. При этом происходит частичное перемешивание горючей смеси с остаточными газами, а также выбрасывание части рабочей смеси вместе с отработавшими газами в выпускную трубу. Это вызывает уменьшение наполнения цилиндров горючей смесью и увеличение расхода горючего.

При положении поршня в нижней мертвой точке давление в цилиндре двигателя падает до 1 кг/см².

На рис. 15 показано изменение давления в цилиндре двигателя во время тактов сжатия и расширения.

Рис. 15. Среднее индикаторное давление двухтактного двигателя: а — начало сжатия; с" — конец сжатия; Z — конец видимого горения; е — начало выпуска.

Как и в четырехтактном двигателе, полезная работа, развиваемая за один рабочий цикл, в двухтактном двигателе равна разности работ — работы, получаемой при расширении, и работы, затрачиваемой на сжатие. Полезная работа двигателя на рис. 15 показана в виде площади, ограничиваемой кривой ac"Zea.

Для удобства определения индикаторной мощности построим прямоугольник, площадь которого равна площади, ограничиваемой кривой ac"Zca, а длина соответствует расстоянию, проходимому поршнем от одной мертвой точки до другой. В этом случае высота прямоугольника будет равна средней высоте индикаторной диаграммы, которая в масштабе, отложенном на вертикали, соответствует среднему индикаторному давлению.

Индикаторная мощность для двухтактного двигателя определяется так же, как и для четырехтактного, с той лишь разницей, что число циклов для двухтактного двигателя будет равно числу оборотов коленчатого вала двигателя.

В отличие от четырехтактных двигателей, степень сжатия двухтактного двигателя имеет два значения: номинальная степень сжатия и действительная степень сжатия.

Номинальной степенью сжатия называется отношение суммы объема камеры сжатия и рабочего объема цилиндра к объему камеры сжатия. Под рабочим объемом цилиндра подразумевается объем, описываемый поршнем при его перемещении от одной мертвой точки до другой.

Действительной степенью сжатия называется отношение объема камеры сжатия и полезного объема цилиндра в момент закрытия органов газораспределения к объему камеры сжатия.

Полезным объемом цилиндра называется объем, описываемый поршнем при его перемещении от верхнего края выпускного окна до верхней мертвой точки.