Устройство и основные параметры двигателя
Поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из следующих механизмов и систем:
• кривошипно-шатунный механизм (КШМ);
• газораспределительный механизм (ГРМ);
• система охлаждения;
• смазочная система;
• система питания;
•
система зажигания
(в карбюраторном двигателе);
• система электрического пуска двигателя.
В поршневом ДВС преобразование энергии происходит в замкнутом объеме, который образован цилиндром, крышкой (головкой) цилиндра и поршнем. В карбюраторном двигателе горючая смесь вводится в цилиндр через впускной клапан, смешиваясь с остатками отработавших газов — образует рабочую смесь, которая сжимается поршнем и воспламеняется. Образовавшиеся при сгорании газы перемещают поршень, который через шатун передает усилие на кривошип коленчатого вала, поворачивая его вокруг оси. Отработавшие газы вытесняются при обратном движении поршня через выпускной клапан. Таким образом, тепловая энергия преобразуется в механическую, а возвратно-поступательное движение — во вращательное как наиболее удобный для трансформации вид движения.
Карбюраторный четырехтактный двигатель
При рассмотрении рабочего цикла двигателя (рис. 3) условно принято, что каждый такт начинается и заканчивается при нахождении поршня в ВМТ или НМТ.
Первый такт — впуск. Поршень перемещается с ВМТ в НМТ, освобождающаяся надпоршневая полость цилиндра заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан из-за возникающего разрежения. Горючая смесь, поступая в цилиндр, смешивается с остатками отработавших газов от предыдущего цикла, образует рабочую смесь. В конце такта давление в цилиндре составляет 0,07—0,95 МПа, температура — 350—390 К, коэффициент наполнения цилиндра — 0,6—0,7.
Второй такт — сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты. Объем надпоршневой полости уменьшается. Рабочая смесь сжимается. Сжатие сопровождается повышением давления и температуры. Степень сжатия регламентируется детонационной стойкостью топлива. В конце такта давление составляет 1,2—1,7 МПа, а температура – 600 - 700 К.
Третий такт — расширение. В начале такта при сгорании рабочей смеси, которая воспламеняется от искрового разряда свечи зажигания, выделяется значительное количество теплоты, резко увеличивается температура и давление. Вследствие давления газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Газы расширяются и совершают полезную работу. В начале расширения давление газов составляет 4—6 МПа, температура — 2500—2800 К. В конце расширения давление в цилиндре составляет 0,3—0,5 МПа, температура - 1100—1800 К.
Четвертый такт — выпуск. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра в выпускной трубопровод и в окружающую среду. В конце выпуска давление в цилиндре составляет ОД05—0,12 МПа, а температура — 850-1200 К.
Степень очистки цилиндра от отработавших газов характеризуется коэффициентом остаточных газов (отношение массы остаточных газов к массе свежего заряда). Для современных ДВС коэффициент остаточных газов составляет 0,08—0,2, он возрастает при увеличении частоты вращения коленчатого вала.
Рабочий цикл двигателя заканчивается четвертым тактом. При дальнейшем движении поршня цикл повторяется в той же последовательности. Коленчатый вал в течение четырех тактов поворачивается на 720°, т. е. совершает два оборота.
В двигателях, работающих по четырехтактному циклу, полезная работа совершается только в период такта расширения (рабочего хода), когда поршень перемещается под действием расширяющихся газов, поворачивая коленчатый вал на 180° Остальные три такта являются подготовительными и выполняются при поворачивании коленчатого вала на 540° за счет инерции маховика и работы других цилиндров (в многоцилиндровых двигателях)