Важную роль в поддержании невысокой средней температуры деталей играет также их охлаждение, которое осуществляется простыми способами.

Таким образом, периодичность процессов в цилиндре, вытекающая из принципа действия поршневого двигателя, и простота способов охлаждения его деталей позволяют осуществлять цикл поршневого двигателя в значительно более широких температурных пределах, чем циклы тепловых двигателей других типов. Из термодинамики известно, что КПД теплового двигателя прямо пропорционален разности температур горячего и холодного источника теплоты; чем она больше, тем выше КПД. Именно этим объясняется, почему поршневой двигатель имеет самый высокий КПД по сравнению с КГ1Д других тепловых двигателей.

Схемы рабочих циклов. Рабочий цикл любого поршневого двигателя внутреннего сгорания может быть выполнен по одной из двух схем, представленных на рис. 1.

По схеме рис. 3, а рабочий цикл осуществляется следующим образом. Топливо и воздух в определенных соотношениях, необходимых для полного сгорания топлива, хорошо перемешиваются вне цилиндра двигателя и образуют горючую смесь. Полученная смесь поступает в цилиндр (впуск), после чего подвергается сжатию. При сжатии смеси в цилиндре создаются условия, необходимые для сгорания топлива. Во время впуска и сжатия смеси в цилиндре происходят дополнительное перемешивание топлива с воздухом и их нагрев.

Состав смеси характеризуется коэффициентом а избытка воздуха, представляющим собой отношение действительного количества воздуха к теоретически необходимому для полного сгорания топлива и определяемому из стехиометрических соотношений по элементарному составу топлива. При увеличении коэффициента а смесь обедняется, так как уменьшается относительное количество топлива в ней; и наоборот, при уменьшении коэффициента а смесь обогащается.

Подготовленная горючая смесь воспламеняется в цилиндре обычно от электрической искры. Вследствие быстрого сгорания смеси в цилиндре резко повышаются температура и давление, под воздействием которого происходит перемещение поршня в цилиндре. 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 процесса расширения следует очистка цилиндра от продуктов сгорания (выпуск), и рабочий цикл повторяется.

В рассмотренной схеме подготовка смеси воздуха с топливом, т. е. процесс смесеобразования, происходит в основном вне цилиндра, поэтому двигатели, работающие по этой схеме, называют также двигателями с внешним смесеобразованием. К таким двигателям относятся карбюраторные двигатели, работающие на бензине, газовые двигатели, а также двигатели с впрыскиванием топлива во впускной трубопровод, т. е. двигатели, в которых при

меняется 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 и т. д. давление конца сжатия у двигателей с внешним смесеобразованием составляет 1…2 МПа.

Если рабочий цикл двигателя происходит по схеме, описанной выше, то обеспечивается хорошее смесеобразование и использование рабочего объема цилиндра (коэффициент избытка воздуха а = = 0,8…1,1). Однако ограниченность степени сжатия смеси не позволяет улучшить экономичность двигателя.

В случае осуществления рабочего цикла по схеме, показанной на рис. 1, б, процесс смесеобразования происходит только внутри цилиндра. Рабочий цилиндр в данном случае заполняется не смесью, а воздухом (впуск), который подвергается сжатию. В конце процесса сжатия в цилиндр через форсунку под большим давлением впрыскивается топливо. При впрыскивании оно мелко распыливается и перемешивается с воздухом. Частицы топлива, соприкасаясь с горячим воздухом, испаряются, образуя топливовоздушную смесь.

Воспламенение смеси при работе двигателя по этой схеме происходит в результате высокого сжатия воздуха до температуры самовоспламенения смеси. Впрыскивание топлива во избежание преждевременного самовоспламенения начинается только в конце сжатия. К моменту самовоспламенения обычно процесс впрыскивания топлива еще продолжается. Смесь, образующаяся при впрыскивании топлива, 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, достигается 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. Поэтому такие двигатели называют двигателями с внутренним смесеобразованием.

Для двигателей с внутренним смесеобразованием могут быть использованы все виды жидкого и газообразного топлива. В подавляющем большинстве эти двигатели работают на жидком топливе. Двигатели, в которых воспламенение топлива происходит в результате высокого сжатия, называют также двигателями с воспламенением от сжатия или дизелями.

Внутреннее смесеобразование имеют двигатели с впрыскиванием легкого топлива (бензина) и принудительным воспламенением (от электрической искры).

Проводятся также работы по созданию двигателей со смешанным смесеобразованием, у которых небольшой расход топлива впрыскивается во впускной трубопровод (внешнее смесеобразование), а основной расход топлива подается в цилиндр (внутреннее смесеобразование). При таком смесеобразовании снижаются максимальное давление газов в цилиндре и уровень шума при сгорании.

Основные понятия и определения. Прежде чем рассматривать рабочие процессы двигателей, остановимся на основных понятиях и определениях, принятых для двигателей внутреннего сгорания.

Положения кривошипно-шатунного механизма, при которых ось шатуна лежит в плоскости кривошипа (ф = 0 ° и ф=180 если оси цилиндра и коленчатого вала совпадают), называют мертвыми точками, так как при этих положениях сила, приложенная к поршню, не может вызвать вращательное движение коленчатого вала. Как видно из рис. 2, мертвым точкам соответствуют крайние положения поршня в цилиндре. Крайнее положение поршня, при котором расстояние от него до оси вала достигает максимума (<р = 0°), называется внутренней мертвой точкой (ВМТ); крайнее положение поршня, при котором расстояние от него до оси вала достигает минимума (ср= 180 °), называется наружной мертвой точкой (НМТ).

Как при внешнем, так и при внутреннем смесеобразовании рабочий цикл поршневого двигателя состоит из следующих процессов: впуска, сжатия, сгорания и расширения (рабочий ход) и выпуска. Полезная работа совершается лишь в процессе сгорания и расширения.

Расстояние при перемещении поршня из одного крайнего положения в другое называется ходом S поршня и соответствует половине оборота коленчатого вала.

Рабочие процессы, совершаемые в течение одного хода поршня (часть рабочего цикла), называют тактом.

При рассмотрении рабочих процессов в двигателях широко используется диаграмма изменения давления р в цилиндре по ходу поршня за цикл от объема цилиндра — так называемая индикаторная диаграмма. Такую диаграмму получают во время испытания двигателя при помощи специального прибора — индикатора или строят по результатам теоретического расчета рабочего цикла. На индикаторной диаграмме ординаты в определенном масштабе показывают давление р газов в цилиндре, а абсциссы — ход поршня и соответствующий ему объем V цилиндра. Горизонтальные тонкие линии, нанесенные на диаграмме, характеризуют давление рк перед впускными органами; вертикальными линиями отмечены крайние точки положения поршня (ВМТ и НМТ).

Рабочий цикл в цилиндре двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен за четыре или за два такта. В первом случае цикл называют четырехтактным, а во втором — двухтактным.

Работа четырехтактного двигателя. Рассмотрим сначала двигатель, рабочий цикл которого осуществляется за четыре такта или за два оборота коленчатого вала. Такой двигатель называют четырехтактным.

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

Газораспределительный механизм состоит обычно из рычагов, штанг и толкателей, на которые воздействуют кулачки, сидящие на распределительном валу. Распределительный вал приводится в движение от коленчатого вала двигателя и имеет вдвое меньшую частоту вращения, чем коленчатый вал. Каждый клапан открывается один раз за два оборота коленчатого вала.

Рабочий цикл в четырехтактном двигателе происходит следующим образом.

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

Давление перед впускными органами может быть близким к атмосферному в двигателях без наддува или превышать его в зависимости от степени наддува (рк=0,13…0,45 МПа) в двигателях с наддувом. При наддуве с увеличением заряда в цилиндре увеличиваются работа за цикл и мощность двигателя, однако при этом возрастают давление и температуры цикла.

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

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

На воспламенение и сгорание 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 двигателе с внешним смесеобразованием (а также в двигателях с впрыскиванием бензина в цилиндр) или впрыскивание топлива в цилиндр двигателя с внутренним смесеобразованием обычно производится до момента достижения поршнем ВМТ, т. е. с некоторым опережением.

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

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

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

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

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

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

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

Для улучшения очистки и наполнения цилиндра выпускной клапан закрывается не в конце такта выпуска (в ВМТ), а несколько позднее (при повороте коленчатого вала на 10…50 ° после ВМТ), т. е. в начале первого такта. По этой же причине

и впускной клапан открывается с некоторым опережением (за 10…40° до ВМТ, т.е. в конце четвертого такта). Таким образом, в конце четвертого такта в течение некоторого периода могут быть открыты оба клапана. Такое положение называется перекрытием клапанов. Оно способствует улучшению наполнения в результате эжектирующего действия потока газов в выпускном трубопроводе.

Работа двухтактного двигателя. Из рассмотрения четырехтактного цикла следует, что четырехтактный двигатель только по- F ловину времени, затраченного на цикл, ! работает как тепловой двигатель (такты сжатия и расширения). Вторую половину ( времени (такты впуска и выпуска) двигатель работает как насос.

Более полно время, отводимое на рабочий цикл, используется в двухтактных двигателях, в которых рабочий цикл совершается за два такта (за один оборот коленчатого вала). В отличие от четырехтактных двигателей в двухтактных очистка рабочего цилиндра от продуктов сгорания и наполнение его свежим зарядом, т. е. процессы газообмена, происходят только при движении поршня вблизи НМТ. При этом очистка цилиндра от выпускных газов осуществляется путем вытеснения их не поршнем, а предварительно сжатым до определенного давления воздухом или горючей смесью. Предварительное сжатие воздуха или смеси производится в специальном продувочном насосе или компрессоре, выполненном в виде отдельного агрегата. В небольших двигателях в качестве продувочного насоса иногда используют внутреннюю полость картера (кривошипная камера) и поршень двигателя.

В процессе газообмена в двухтактных двигателях некоторая часть воздуха или горючей смеси неизбежно удаляется из цилиндра вместе с выпускными газами через выпускные органы. Эта утечка воз-

Соответстаие между тактами и процессами явлиетси условным, так как большинство процессов и тактов, как правило, не совпадают по времени,

духа или горючей смеси учитывается при выборе подачи продувочного насоса или компрессора.

На рис. 3 показана схема работы двухтактного двигателя с внутренним смесеобразованием и прямоточной клапанно-щелевой схемой газообмена.

Основными особенностями устройства двигателя этого типа являются:
— впускные окна, расположенные в нижней части цилиндра, высота которых составляет около 10…20% хода поршня; открытие и закрытие впускных окон производится поршнем при его движении в цилиндре;
— выпускные клапаны, размещенные в крышке цилиндра, с приводом от распределительного вала, частота вращения которого обеспечивает открытие клапанов один раз за один оборот коленчатого вала;
— продувочный насос, нагнетающий воздух под давлением в ресивер для очистки цилиндра от продуктов сгорания и наполнения свежим зарядом.

Рабочий цикл в двигателе осуществляется следующим образом.

Первый такт соответствует ходу поршня от ВМТ к НМТ. В цилиндре только что произошло сгорание (линия cz) и начался процесс расширения газов, т. е. осуществляется рабочий ход. Несколько раньше момента подхода поршня к впускным окнам открываются выпускные клапаны в крышке цилиндра, и продукты сгорания начинают вытекать из цилиндра в выпускной патрубок; при этом давление в цилиндре резко падает (линия zn). Впускные окна открываются поршнем, когда давление в цилиндре становится примерно равным давлению предварительно сжатого воздуха в ресивере или немного выше его. Воздух, поступая в цилиндр через впускные окна, вытесняет через выпускные клапаны оставшиеся в цилиндре продукты сгорания и заполняет цилиндр (продувка), т.е. осуществляется газообмен (участок па на индикаторной диаграмме).

Таким образом, в течение первого такта в цилиндре происходит сгорание топлива, расширение газов, выпуск газов, продувка и наполнение цилиндра.

Второй такт соответствует ходу поршня от НМТ к ВМТ. В начале хода поршня продолжаются процессы удаления выпускных газов, продувки и наполнения цилиндра свежим зарядом. Конец продувки цилиндра (линия ak) определяется моментом закрытия впускных окон и выпускных клапанов. Последние закрываются или одновременно с впускными окнами, или несколько ранее. Давление в цилиндре к концу газообмена в двухтактных двигателях несколько выше атмосферного и зависит от давления воздуха в ресивере. С момента окончания газообмена и полного перекрытия поршнем впускных окон начинается процесс сжатия воздуха. Когда поршень не доходит на 10…30° по углу поворота коленчатого вала до ВМТ, в цилиндр через форсунку начинает подаваться топливо.

Следовательно, в течение второго такта в цилиндре происходит окончание выпуска, продувка и наполнение цилиндра в начале хода поршня и сжатие при его дальнейшем ходе.

Кроме рассмотренной выше прямоточной клапанно-щелевой схемы газообмена в двухтактных двигателях применяют и другие схемы.

Петлевая схема газообмена значительно упрощает конструкцию двигателя по сравнению с клапанно-щелевой, но при этом ухудшается качество газообмена и возникают потери воздуха или смеси при наполнении. Петлевая схема газообмена отличается большим разнообразием конструктивного выполнения и применяется в двигателях различного назначения (от маломощных для мопедов и до крупных мощностью в несколько десятков тысяч киловатт для судов).

Прямоточная схема газообмена с противоположно движущимися поршнями, в которой один поршень управляет впускными окнами, а другой — выпускными, обеспечивает высокое качество газообмена.