Четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания
Четырёхтактный двигатель — поршневой двигатель внутреннего
сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за два
оборота коленчатого вала, то есть за четыре хода поршня (такта). Начиная с
середины XX века — наиболее распространённая разновидность поршневого ДВС,
особенно в двигателях средней и большой мощности.
Порядок работы
Рабочий цикл четырёхтактного двигателя происходит за четыре
такта, каждый из которых составляет один ход поршня между мертвыми точками, при
этом двигатель проходит следующие фазы:
- 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.
- 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 Ленуара), 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.
- Рабочий ход. 360—540° кривошипа — движение поршня в сторону нижней мёртвой точки под давлением горячих газов, передаваемого поршнем через шатун коленчатому валу. 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.
- Выпуск. 540—720° поворота кривошипа — очистка цилиндра от отработавшей смеси. Выпускной клапан открыт, поршень движется в сторону верхней мёртвой точки, вытесняя выхлопные газы.
В реальных двигателях фазы газораспределения подбираются
таким образом, чтобы учитывалась инерция газовых потоков и геометрия трактов
впуска и выпуска. Как правило, начало впуска опережает ВМТ от 15 до 25°, конец
впуска отстает примерно на столько же от НМТ, так как инерция потока газов
обеспечивает лучшее заполнение цилиндра. Выхлопной клапан опережает НМТ
рабочего хода на 40 — 60°, при этом давление сгоревших газов к НМТ падает и
противодавление на поршень при выхлопе оказывается ниже, что повышает КПД.
Закрытие выхлопного клапана также относится за ВМТ впуска для более полного
удаления выхлопных газов.
Так как процесс горения и распространение фронта пламени в
двигателях Отто требуют определенного времени, зависящего от режима работы
двигателя, а максимальное давление из соображений геометрии кривошипно-шатунного
механизма желательно иметь от 40 до 45° от ВМТ начала рабочего хода, зажигание
осуществляется с опережением — от 2 — 8° на холостом ходу до 25 — 30° на
режимах полной нагрузки.
Рабочий процесс дизельного двигателя отличается от
описанного выше тем, что заряд в камере сгорания — чистый воздух, нагретый от
сжатия до температуры воспламенения. За некоторое время до ВМТ, называемое
временем инициации, в камеру сгорания начинает впрыскиваться жидкое топливо,
распыленное до капель, каждая из которых подвергается инициации, то есть
нагревается, испаряясь с поверхности, при испарении вокруг каждой из капель
образуется и воспламеняется в горячем воздухе горючая смесь. Время инициации
для каждого дизеля стабильно, зависит от особенностей конструкции и изменяется
только с его изнашиванием, поэтому, в отличие от момента зажигания, момент
впрыска в дизеле задается раз и навсегда при его конструировании и
изготовлении. Так как смесь во всем объёме камеры сгорания в дизеле не
образуется, а факел распыла форсунки занимает небольшой объём камеры,
количество воздуха на каждый объём впрыснутого топлива должно быть избыточным,
в противном случае процесс горения протекает не до конца, а выхлопные газы
содержат большое количество недогоревшего углерода в виде сажи. Само горение
длится столько времени, сколько длится впрыскивание данной конкретной порции
топлива — от нескольких градусов после ВМТ на холостом ходу до 45-50° на
режимах полной мощности. В мощных дизелях цилиндр может снабжаться несколькими
форсунками.
Главные особенности четырёхтактного двигателя
- Газообмен в цилиндре практически полностью обеспечивается перемещением рабочего поршня;
- Для переключения полости цилиндра на впуск и на выхлоп используется отдельный газораспределительный механизм;
- Каждая фаза газообмена выполняется во время отдельного полуоборота коленчатого вала;
- Привод систем газораспределения, зажигания и впрыска топлива должен вращаться с частотой вдвое меньшей, чем частота вращения коленчатого вала двигателя. Для этого могут применяться как шестерёнчатые редукторы, так цепная или ременная передача.
Баланс энергии
- Двигатели Отто имеют термический КПД около 40%, что с механическими потерями дает фактический КПД от 25 до 33%.
- Современные двигатели могут иметь уменьшенный КПД для удовлетворения высоких экологических требований.
- КПД ДВС можно повысить с помощью современных систем процессорного управления топливоподачей, зажиганием и фазами газораспределения. Степень сжатия современных двигателей, как правило, имеет значения, близкие к предельным (спорный момент, см. Цикл Миллера).
Применение ДВС
Четырёхтактные двигатели могут быть как бензиновыми, так и
дизельными. Они находят самое широкое применение в качестве первичных
двигателей на стационарных и транспортных энергоустановках.
Как правило, четырёхтактные двигатели используются в тех
случаях, когда имеется возможность более или менее широко варьировать
соотношение оборотов вала со снимаемой мощностью и крутящим моментом либо
тогда, когда это соотношение не играет роли при работе машины. Например,
двигатель, нагруженный электрогенератором, в принципе может иметь любую рабочую
характеристику и согласуется с нагрузкой только по рабочему диапазону оборотов,
которые в принципе могут быть любыми, приемлемыми для генератора. Использование
промежуточных передач вообще делает четырёхтактный двигатель более
адаптированным к нагрузкам в самых широких пределах. Они же являются более
предпочтительными в тех случаях, когда установка длительное время работает вне
установившегося режима — благодаря более совершенной газодинамике их работа в
переходных режимах и режимах со снятием частичной мощности оказывается более
устойчивой.
При работе на вал в заданном диапазоне оборотов, особенно
тихоходный (гребной вал теплохода), предпочтительнее использование двухтактных
двигателей, как имеющих более выгодные массово-мощностные характеристики на
низких оборотах.
Текстовое содержимое доступно в соответствии с лицензией Creative Commons Attributions-ShareAlike (CC-BY-SA), http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/.
Источник: Википедия http://ru.wikipedia.org/wiki/Четырёхтактный_двигатель
Авторы: http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Четырёхтактный_двигатель&action=history
Комментарии
Отправить комментарий