Рабочим циклом двигателя внутреннего сгорания называют совокупность процессов, повторяющихся в цилиндре за один ход поршня в такой последовательности: впуск свежего заряда, сжатие, расширение или рабочий ход, выпуск
Для обеспечения непрерывной работы двигателя в его цилиндрах должны выполняться следующие повторяющиеся процессы:
- впуск — наполнение воздухом или горючей смесью;
- сжатие— сжатие воздуха или горючей смеси;
- рабочий ход (или расширение) — впрыск и самовоспламенение топлива или воспламенение горючей смеси от искры, сгорание горючей смеси и расширение газов;
- выпуск—выпуск отработавших газов.
Чередование этих процессов называют циклом двигателя.
В большинстве ДВС используются двухтактный или четырехтактный цикл.
Такт — часть рабочего цикла, который происходит в цилиндре в процессе движения поршня от одного крайнего положения (мертвой точки) до другого (один ход поршня).
При двухтактном цикле все процессы происходят за два хода поршня (один оборот коленчатого вала), при четырехтактном — за четыре хода поршня (два оборота коленчатого вала).
Верхняя мертвая точка (ВМТ) — крайнее верхнее положение поршня в цилиндре
Нижняя мертвая точка (НМТ) — крайнее нижнее положение поршня в цилиндре.
Ход поршня S — расстояние между крайними положениями поршня, равное удвоенному радиусу кривошипа коленчатого вала.
Радиус кривошипа — расстояние от оси коренной шейки коленчатого вала до оси его шатунной шейки.
Объем камеры сгорания — объем пространства над поршнем при его положении в ВМТ.
Рабочий объем цилиндра – объем пространства, освобождаемого поршнем при перемещении его от ВМТ к НМТ.
Полный объем цилиндра — объем пространства над поршнем при нахождении его в НМТ. Очевидно, что полный объем цилиндра равен сумме рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания.
Степень сжатия ε — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.
Рабочий цикл двигателя - последовательно протекающие в каждом цилиндре двигателя процессы, превращающие тепловую энергию в механическую работу.
Первый такт «Впуск». Длится от 0 до 180° поворота кривошипа. При впуске поршень движется вниз от верхней мертвой точки, открыт впускной клапан. В цилиндре образуется разрежение, за счёт которого в него засасывается свежий заряд. При наличии нагнетателя смесь нагнетается в цилиндр под давлением.
Второй такт «Сжатие». Такт сжатия. 180—360° поворота кривошипа. Поршень движется к ВМТ, при этом заряд сжимается поршнем до давления степени сжатия. За счёт сжатия достигается бо́льшая удельная мощность, чем могла бы быть у двигателя, работающего при атмосферном давлении (такого как двигатель Ленара), за счёт того, что в небольшом объёме заключен весь заряд рабочей смеси. Кроме того, повышение степени сжатия позволяет увеличить КПД двигателя. В двигателях Отто любой конструкции сжимается горючая смесь, в дизелях — чистый воздух. В конце такта сжатия происходит зажигание заряда в двигателях Отто или начало впрыска топлива в двигателях Дизеля.
Третий такт «Рабочий ход». Рабочий ход 360—540° кривошипа — движение поршня в сторону нижней мёртвой точки под давлением горячих газов, передаваемого поршнем через шатун коленчатому валу. На коленчатый вал насажен маховик, обеспечивающий равномерное вращение и работу остальных тактов по инерции. В двигателе Отто при этом происходит процесс изохорного расширения, в дизеле за счёт продолжающегося горения рабочей смеси подвод теплоты продолжается столько, сколько длится впрыск порции топлива. Поэтому сгорание в дизеле обеспечивает процесс, близкий к адиабатному, расширение происходит при одинаковом давлении
Четвертый такт «Выпуск». Выпуск. 540—720° поворота кривошипа — очистка цилиндра от отработавшей смеси. Выпускной клапан открыт, поршень движется в сторону верхней мёртвой точки, вытесняя отработавшие газы из цилиндра в атмосферу.
Первый такт — впуск. Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, через открытый впускной клапан в цилиндр поступает очищенный воздух (из-за разрежения, создаваемого поршнем). Воздух перемешивается с небольшим количеством оставшихся от предыдущего цикла отработавших газов, температура повышается и в конце такта впуска достигает 300—320 К, а давление 0.08—0.09 МПа. Коэффициент наполнения цилиндра 0,9 и выше, т. е. больше, чем у карбюраторного двигателя.
Второй такт — сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты. Давление и температура воздуха увеличиваются и в конце такта составляют соответственно 3—5 МПа и 800—900 К. Степень сжатия регламентируется исправностью деталей КШМ и равна 17—21.
Третий такт — рабочий ход.
В конце такта сжатия (20—30 градусов угла поворота коленчатого вала ло прихода поршня в ВМТ) с помощью насоса через форсунку в цилиндр под высоким давлением (15—20 МПа) в мелкораспыленном виде впрыскивается порция топлива. Топливо от соприкосновения с нагретым воздухом испаряется, его пары перемешиваются с нагретым воздухом и воспламеняются. При сгорании топлива, вследствие подвода большого количества теплоты, резко увеличиваются лишение и температура образовавшихся газов. В начале такта расширения давление газов составляет 7—8 МПа. а температура 2100—2300 К. Под действием давления поршень перемешается от ВМТ к НМТ, совершая полезную работу. Объем цилиндра увеличивается, давление и температура газов снижаются и при подходе поршня к НМТ составляют 0,2-0,4 МПа.
Четвертый такт — выпуск.
Поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются через выпускной трубопровод в окружающую среду. В конце такта выпуска давление газов равно 0,11 -0,12 МПа, температура 850—1200. После этого рабочий цикл дизеля повторяется.
При двухтактном цикле все процессы происходят за два хода поршня (один оборот коленчатого вала). Рабочий цикл двухтактного двигателя происходит за один оборот коленчатого вала, что позволяет снимать в 1,5-1,7 раза бо́льшую мощность с того же рабочего объёма при тех же оборотах двигателя. Это особенно актуально при создании тяжёлых тихоходных двигателей средних и тяжёлых судов, соединяемых непосредственно с валом гребного винта регулируемого шага, а также в поршневой авиации, где для эффективной работы воздушного винта также требуются сравнительно низкие рабочие обороты, что позволяет устранить из конструкции редуктор привода на винт.
В качестве автомобильного или, тем более, мотоциклетного такой двигатель менее выгоден, тем не менее также позволяет создать сравнительно компактные, но мощные силовые агрегаты, нашедшие применение в мототехнике и, ранее, микролитражных и малолитражных легковых автомобилях (с кривошипно-камерной продувкой, рабочим объёмом обычно до 1,5 — 1,7 литра), а также на грузовых автомобилях и автобусах (с прямоточной продувкой, рабочим объёмом обычно от 4 литров и более).
Из-за вдвое большей частоты рабочих тактов и за счет омывания деталей, обеспечивающих выхлоп, удвоенным количеством выхлопных газов, эти детали двигателя находятся в более напряжённом тепловом режиме. В двигателях большой мощности обязательно используется принудительное охлаждение поршней. При использовании кривошипно-камерной продувки воздух или горючая смесь поступает в цилиндр из полости картера двигателя, куда всасывается при движении поршня вверх, при движении поршня вниз избыточное давление обеспечивает продувку. При такой схеме можно создать двигатель, состоящий из минимального количества деталей, не содержащий механизма газораспределения и не имеющий продувочного насоса. Чтобы не допустить потерь заряда через впускной трубопровод в атмосферу, перед входом в картер может устанавливаться лепестковый клапан либо насаженный на коленчатый вал дисковый золотник.
При использовании кривошипно-камерной продувки существуют определённые особенности, ограничивающие применение таких двигателей.
Необходимо, чтобы полость кривошипной камеры конкретного цилиндра была герметична и, по возможности, чтобы коленвал занимал возможно больший объём и был обтекаем, чтобы как можно меньше влиять на газодинамику, а большой объём металла существенно утяжеляет вал. Каждую кривошипную камеру многоцилиндрового двигателя приходится уплотнять сальниками с каждой стороны каждой коренной шейки, что требует применения разборного коленчатого вала (как следствие, существенная потеря жёсткости вала по сравнению с цельным).
Давление сжатия воздуха (смеси) в кривошипной камере невелико, - оно меньше степени сжатия, это не позволяет получить существенного давления продувочного воздуха (приходится увеличивать длительность фазы продувки, это вынуждает укорачивать рабочий ход и снижать эффективный рабочий объём — с потерей КПД).
Двигатели такой конструкции не позволяют разместить в картере масляную ванну. Для смазки карбюраторного двигателя приходится подмешивать моторное масло в топливо. В случаях с упрощёнными конструкциями это может считаться достоинством, так как редуцирует систему смазки двигателя как таковую. В ряде двигателей применяется раздельная подача масла и бензина в карбюратор («Ява-ОйлМастер»), но все равно подача масла к парам трения происходит за счёт осаждения из горючей смеси, из-за чего у таких двигателей высокий расход масла, которое, вдобавок, сгорает в цилиндре вместе с топливом. По этой же причине в двухтактных двигателях без системы смазки приходится использовать специальные масла, не содержащие присадок, способствующих закоксовыванию каналов и поверхностей деталей цилиндро-поршневой группы.
За счёт вдвое меньшего количества нерабочих ходов поршня в каждом рабочем цикле вдвое уменьшаются потери на трение.
Схема двухтактного двигателя внутреннего сгорания
Первый такт
Такт сжатия. Поршень перемещается от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ), перекрывая сначала продувочное, а затем и выпускное окно. После закрытия поршнем выпускного окна в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере вследствие её герметичности, и после того как поршень перекрывает продувочные окна, под поршнем создается разряжение, под действием которого из впускного коллектора через впускное окно и приоткрытый клапан поступает готовая горючая смесь в кривошипную камеру.
Второй такт
Такт рабочего хода. При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи, в результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к НМТ (при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу). Одновременно, опускаясь вниз, поршень создает избыточное давление в кривошипной камере. Под действием этого давления клапан закрывается, не давая таким образом горючей смеси вернуться во впускной коллектор и карбюратор. Когда поршень дойдет до выпускного окна, оно открывается и начнется выпуск отработавших газов в атмосферу нашей любимой Земли - давление в цилиндре понижается. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное окно и сжатая в кривошипной камере горючая смесь поступает по каналу, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков
Прежде всего необходимо понять, что сам термин «наддув», говорит о процессе увеличения свежей порции воздуха в моторе. Процесс происходит благодаря вызову искусственного увеличения давления. Эта технология специально была разработана для увеличения мощности, показатель которой, при удачном исходе, может быть увеличен до 45%.
Самой распространенной технологией для этого процесса является наддув агрегатного типа, который именуется, как «турбонаддув». Главной деталью в этом случае – служит турбокомпрессор.
Принцип работы турбонаддува
Принцип работы турбонаддува довольно прост. На одном валу расположены крыльчатка-нагнетатель и крыльчатка-турбина, каждая из которых вращается в своей улитке. Отработавшие газы из выпускного коллектора проходят через одну из улиток и вращают крыльчатку-турбину. Вращение посредством общего вала передается второй крыльчатке, которая повышает давление атмосферного воздуха, проходящего через вторую улитку.
Рассмотрим основные этапы прохождения воздуха в двигателе с турбокомпрессором:
- Воздух проходит через воздушный фильтр (не показан на схеме) и попадает на вход турбокомпрессора
- Внутри турбокомпрессора вошедший воздух сжимается и при этом увеличивается количество кислорода в единице объема воздуха. Побочным эффектом любого процесса сжатия воздуха является его нагрев, что несколько снижает его плотность.
- Из турбокомпрессора воздух поступает в интеркулер, где охлаждается и в основной мере восстанавливает свою температуру, что кроме увеличения плотности воздуха, ведет еще и к меньшей склонности к детонации нашей будущей топливовоздушной смеси.
- После прохождения интеркулера воздух проходит через дроссель, попадает во впускной коллектор и дальше на такте впуска — в цилиндры нашего двигателя.
- Объем цилиндра является фиксированной величиной, обусловленной его диаметром и ходом поршня, но так как теперь он заполняется сжатым турбокомпрессором воздухом, количество кислорода зашедшее в цилиндр становится значительно больше чем в случае с атмосферным мотором. Большее количество кислорода позволяет сжечь большее количество топлива за такт, а сгорание большего количества топлива ведет к увеличению мощности выдаваемой двигателем.
- После того как топливо-воздушная смесь сгорела в цилиндре, она на такте выпуска уходит в выпускной коллектор, где этот поток горячего (500С-1100С) газа попадает в турбину
- Проходя через турбину, поток выхлопных газов вращает вал турбины на другой стороне которого находится компрессор, и, тем самым совершает работу по сжатию очередной порции воздуха. При этом происходит падение давления и температуры выхлопного газа, поскольку часть его энергии ушла на обеспечение работы компрессора через вал турбины.
Ро́торный дви́гатель (РД, РДВС, двигатель Ва́нкеля) — роторный двигатель внутреннего сгорания, конструкция которого разработана в 1957 году инженером компании NSU Вальтером Фройде. Ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя
Особенность двигателя — применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рёло, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде (возможны и другие формы ротора и цилиндра)
Рабочий цикл роторно - поршневого двигателя
Как и поршневые ДВС, роторные варианты имеют 4 рабочих такта:
- Впрыск топливно-воздушной смеси.
- Сжатие смеси.
- Воспламенение.
- Выпуск.
1-й такт Впуск топливно-воздушной смеси в роторном двигателе
Забор смеси начинается в тот момент, когда одна из вершин ротора проходит впускной клапан в корпусе. В это время, объем камеры расширяется, вовлекая в свое увеличивающееся пространство топливно-воздушную смесь.
В тот момент, когда следующая вершина ротора проходит впускной канал, начинается следующий такт.
2-й такт Сжатие топливно-воздушной смеси в роторном двигателе
Во время поворота ротора, объем смеси захваченной ротором уменьшается, что приводит к повышению давления. Максимальное давление образуется в тот момент, когда топливно-воздушная смесь находится в зоне свечей.
3-й такт Сжигание топливно-воздушной смеси
Для зажигания смеси, как и в поршневом двигателе, используются свечи. Они зажигают смесь одновременно, то есть срабатывают синхронно. Обычно для роторного двигателя применяют две свечи зажигания. Применение двух свечей зажигания связано с особенностями рабочего объема. Он как бы вытянут по стенке корпуса, именно поэтому, эффективней использовать две свечи, чтобы смесь сгорала более быстро и равномерно. В случае с одной свечкой, смесь будет сгорать дольше, если можно так сказать постепенно, что значительно понизит пиковое давление во время взрыва при зажигании топливно-воздушной смеси.
В итоге, от образовавшегося давления взрывной волны, получается рабочее усилие, проворачивающее ротор на эксцентрике вала. Крутящий момент передается на выходной вал. Ротор проворачивается до отверстия выпуска выхлопных газов.
4-й такт Выброс отработавших выхлопных газов
Как только ротор одной из своих вершин пересекает границу выпускного отверстия, начинается выброс выхлопных газов. Ротор по инерции, а также посредством второго ротора, работающего асинхронно, продолжает менять свой угол и перемещается вершиной до впускного отверстия. Здесь все происходит заново от такта забора до такта выброса.