Что называется рабочим циклом двигателя и какие циклы в нем присутствуют

Существует несколько различных типов двигателей, при этом на колесном, гусеничном, водном и даже иногда воздушном транспорте  (грузовые и легковые авто,  спецтехника, моторные  лодки, самолеты и т.п.), нередко можно встретить двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

Так или иначе, широкое распространение силовой агрегат данного типа получил благодаря своей автономности, универсальности, а также целому ряду других преимуществ. При этом агрегаты имеют много различных параметров и характеристик, среди которых стоит отдельно выделить рабочий цикл.  Далее мы поговорим о том,  что означает рабочий цикл автомобильного двигателя внутреннего сгорания.

Рабочий цикл ДВС: что нужно знатьСинхронная работа нескольких цилиндров

Рабочий цикл ДВС

Если рассматривать принцип работы двигателя внутреннего сгорания, топливо в таких агрегатах сгорает в закрытой камере (камера сгорания), куда подается готовая топливно-воздушная смесь или воздух и топливо по отдельности (дизельные агрегаты и моторы с прямым впрыском).

Работа такого мотора основана на том, что во время сгорания топлива происходит расширение газов.  Указанные газы становятся причиной роста давления в цилиндре, благодаря чему поршень получает «толчок». Затем энергия, переданная на поршень, преобразуется в механическую работу.  Давайте рассмотрим принцип работы двигателя, а также рабочие циклы более подробно.

Итак, рабочий  цикл двигателя – последовательно повторяющиеся процессы, которые протекают в цилиндрах в рамках трансформации тепловой энергии топлива в полезную механическую работу. Если  один рабочий цикл совершается за 2 хода поршня, когда коленчатый вал делает один оборот, такой двигатель является двухтактным.

Двигатели, которые устанавливаются на автомобили, обычно работают по четырехтактному циклу (четырехтактный двигатель). Это значит, рабочий цикл совершается за два оборота коленвала и четыре хода поршня. Работу такого ДВС можно разделить на такты: такт впуска, такт сжатия, такт рабочего хода, такт выпуска.

Как работает четырехтактный бензиновый двигатель

Чтобы было понятнее, начнем с того, что когда поршень в цилиндре во время работы  ДВС начинает занимать крайние положения (максимально приближен или удален по отношению к оси коленчатого вала), эти положения принято называть ВМТ и НМТ. ВМТ означает верхняя мертвая точка, тогда как НМТ значит нижняя мертвая точка.  Теперь вернемся к тактам.

• На такте впуска коленчатый вал двигателя делает первую половину оборота, при этом поршень из ВМТ движется в НМТ. В этот момент  открыт впускной клапан, а выпускной клапан закрыт. При движении поршня вниз в цилиндре образуется разрежение, в результате чего  в цилиндр «засасывается» топливно-воздушная смесь через открытый впускной клапан. Рабочая смесь состоит из воздуха и распыленного топлива (в некоторых двигателях на такте впуска поступает только воздух).
• Следующим тактом является сжатие. После того, как произойдет наполнение цилиндра топливно-воздушной смесью, коленвал начинает совершать вторую половину оборота.  В этот момент поршень начинает подниматься из НМТ в ВМТ. При этом впускной клапан уже закрыт. Далее поршень сжимает смесь в герметично закрытом цилиндре. Чем больше уменьшается объем цилиндра, тем сильнее сжимается смесь. Результатом такого сжатия является повышение температуры смеси.
• К тому времени, когда поршень подойдет к концу такта сжатия (практически дойдет до ВМТ), смесь в бензиновых двигателях воспламеняется от внешнего источника (электрическая искра на свече зажигания). Затем топливный заряд сгорает, в результате в цилиндре резко повышается температура и давление. В этот момент  поршень уже перемещается обратно из ВМТ в нижнюю  мертвую точку, принимая на себя энергию расширяющихся газов.

Далее от поршня через шатун энергия передается на КШМ, позволяя вращать коленчатый вал двигателя. Коленвал в это время делает третий по счету полуоборот, а движение поршня из ВМТ в НМТ называется рабочим ходом поршня.

Работа четырехтактного дизельного ДВС

Хотя дизель конструктивно похож на бензиновый мотор, в дизельных двигателях изначально сжимается только воздух, после чего прямо в камеру сгорания впрыскивается дизтопливо. При этом  воспламенение такой смеси происходит самостоятельно (под большим давлением, а также в результате контакта с нагретым от сильного сжатия воздухом).

Простыми словами, воздух сначала сжимается и нагревается, в среднем,  до 650 градусов по Цельсию. В самом конце такта сжатия в камеру сгорания топливная форсунка впрыскивает солярку, затем смесь дизтоплива и воздуха самовоспламеняется.

С учетом данной особенности на такте впуска (поршень движется из ВМТ в НМТ), за счет разряжения в цилиндр подается воздух через  открытый впускной клапан. Давление и температура воздуха в этот момент имеют низкие показатели.

Затем начинается сжатие, поршень поднимается из НМТ в верхнюю мертвую точку. Как и в случае с бензиновым мотором, впускной и выпускной клапаны  полностью закрыты, что позволяет поршню  сильно сжать воздух.

Обратите внимание, для дизельного двигателя очень важно, чтобы температура сжатого воздуха была достаточной для воспламенения топлива. По этой причине степень сжатия в дизельных ДВС намного выше, чем в бензиновых.  Далее, когда поршень практически доходит до ВМТ, происходит топливный впрыск (момент впрыска дизельного двигателя).

Если учесть, что давление воздуха в цилиндре высокое (необходимо для его нагрева), дизельное топливо в момент впрыска должно также подаваться под  очень высоким давлением. Фактически, форсунке нужно «продавить» солярку в камеру сгорания, в которой уже находится сильно сжатый поршнем и горячий воздух.

Для решения этой задачи многие системы питания дизельного двигателя имеют ТНВД (топливный насос высокого давления). Также в схеме могут быть использованы насос-форсунки (форсунка и насос объединены в одно устройство). Еще существуют варианты, когда питание  двигателя реализовано при помощи так называемого «аккумулятора» высокого давления. Речь идет о системах Common Rail.

После воспламенения заряда происходит расширение газов и начинается рабочий ход поршня. Температура в  результате горения смеси  повышается, происходит увеличение давления. Указанное давление газов  «толкает» поршень, происходит рабочий ход. Завершающим этапом становится выпуск, когда поршень после совершения рабочего хода снова поднимается из НМТ в ВМТ.  Затем весь описанный выше процесс (рабочий цикл двигателя) повторяется.

Синхронная работа нескольких цилиндров

Выше были описан принцип работы ДВС, при этом рассматривались процессы в одном цилиндре. Однако, как известно, большинство двигателей являются многоцилиндровыми. Для того чтобы добиться ровной и синхронной работы всех цилиндров,  рабочий ход поршня в каждом отдельном цилиндре должен происходить через  равный промежуток времени (одинаковые углы поворота коленвала).

При  этом последовательность, с которой чередуются  одинаковые такты в разных цилиндрах, принято называть  порядком работы ДВС (например, 1-2-4-3). На практике это выглядит таким образом, что после рабочего хода в цилиндре 1, далее рабочий ход происходит во втором, четвертом, а уже затем в третьем цилиндре.

В зависимости от компоновки двигателя и его конструктивных особенностей последовательность (порядок работы) может быть разной. Дело в том, что двигатели бывают не только рядными, но и V-образными.

Во втором случае такая компоновка позволяет разместить цилиндры под углом, при этом становится возможным увеличить общее количество цилиндров без увеличения самой длины блока цилиндра двигателя. Такое решение позволяет разместить мощный многоцилиндровый ДВС под капотом не только большого внедорожника или грузовика, но и легкового авто.

1. Рабочий цикл четырехтактного бензинового
двигателя

Рабочий
цикл двигателя — это комплекс
последовательно чередующихся процессов внутри цилиндра, в результате которых
энергия топлива преобразуется в механическую работу.

Двигатели, в цилиндрах
которых рабочий цикл совершается за два оборота коленчатого вала (за четыре хода
поршня), называют четырехтактными.
Если рабочий цикл совершается за один оборот коленчатого вала (за два хода
поршня), то двигатели называют
двухтактными.

(рис. 1, а). При вращения коленчатого вала 8 (за пол-оборота) поршень
перемещается от ВМТ к НМТ. При этом впускной клапан 4 открыт, а выпускной клапан
6 закрыт. При движении поршня вниз объем над ним
 увеличивается, поэтому в цилиндре 2 создается разрежение, равное 0,07 ÷
0,095 МПа, в результате чего свежая горючая смесь, состоящая из паров бензина и
воздуха, засасывается через впускной газопровод 3 в цилиндр. Свежая рабочая
смесь в результате соприкосновения с нагретыми деталями и остаточными газами
имеет температуру в конце такта впуска 75 ÷ 125°С.

Рисунок 1 —
Рабочий цикл четырехтактного одноцилиндрового

а — такт впуска; б — такт
сжатия; в — такт расширения (рабочий ход); г — такт выпуска; 1 — поршень; 2 —
цилиндр; 3 — газопровод; 4 — впускной клапан;
      5 — свеча зажигания; 6 — выпускной клапан; 7— газопровод; 8 —
шатун;            9 — колен­чатый вал.

(рис. 1, б). При дальнейшем вращении коленчатого вала поршень пе­ремещается от
НМТ к ВМТ. При этом впускной клапан 4 закрывается, а выпускной клапан 6 закрыт.
По мере сжатия горючей смеси повышается ее температура и давление. В зависимости
от степени сжатия давление в цилиндре в конце такта сжатия может составлять 0,8
÷ 1,5 МПа, а температура                    газов
— 300 ÷ 450°С.

Такт расширения, или рабочий ход
(рис. 1, в). В конце такта сжа­тия горючая смесь воспламеняется от электрической
искры, воз­никающей между электродами свечи зажигания 5, и быстро сго­рает, в
результате чего температура и давление образующихся га­зов резко возрастают и
поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Максимальное давление газов на поршень при
сгорании для кар­бюраторных двигателей составляет 3,5 ÷ 5 МПа, а температура
га­зов — 2100 ÷ 2400 °С.

При такте расширения
шарнирно связанный с поршнем ша­тун 8 совершает сложное движение и через
кривошип передает вращение коленчатому валу. При расширении газы совершают
полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчато­го вала называют
рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня давление в цилиндре составляет 0,3 ÷
0,75 МПа, а температура — 900 ÷ 1200 °С.

(рис. 1, г).
Коленчатый вал 9 через шатун пере­мещает поршень от НМТ к ВМТ. При этом
выпускной клапан 6 открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в
ат­мосферу через выпускной газопровод 7. В начале такта выпуска продуктов
сгорания давление в цилиндре значительно выше ат­мосферного,
но к концу такта оно составляет 0,105 ÷ 0,120 МПа. Температура газов в
начале такта выпуска составляет 750 ÷ 900 °С, а в конце — 500 ÷ 600°С.
Полностью очистить цилиндры двигате­ля от продуктов сгорания практически
невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежая
горючая смесь перемешивается с остаточными отработавшими газами и
    называется рабочей смесью. По
отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются
вспомогательными.

Рабочие циклы двигателей

Работа двигателя внутреннего сгорания может быть представлена в виде систематически повторяющихся процессов, которые принято называть рабочими циклами.
Рабочим циклом двигателя называется ряд последовательных, периодических повторяющихся процессов в цилиндрах, в результате которых тепловая энергия топлива преобразуется в механическую работу. При этом каждый полный рабочий цикл может быть разделен на одинаковые (повторяющиеся) части – такты.

Часть рабочего цикла, совершаемого за время движения поршня от одной мертвой точки до другой, т. е. за один ход поршня, называется . Двигатели, рабочий цикл которых совершается за четыре хода поршня (два оборота коленчатого вала), называются четырехтактными.
В головке блока цилиндров, над камерой сгорания карбюраторного двигателя устанавливаются впускной 4 и выпускной 6 клапаны, управляемые газораспределительным механизмом, а также свеча зажигания 5.

Рабочий цикл карбюраторного четырехтактного двигателя состоит из последовательных тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

Такт впуска

При подходе поршня к ВМТ выпускной клапан закрывается, впускной открывается и начинается такт впуска, дающий начало новому рабочему циклу.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Рабочий цикл дизельного двигателя принципиально отличается от цикла карбюраторного двигателя тем, что рабочая смесь (смесь топлива, воздуха и остаточных продуктов сгорания) приготовляется внутри цилиндра, поскольку воздух подается в цилиндр отдельно, а топливо отдельно – через форсунку. В дизельном двигателе нет специального устройства для поджигания рабочей смеси – она самовозгорается в результате высокой степени сжатия.
Т. е. в дизеле, в отличие от карбюраторного двигателя, через впускной клапан подается не горючая смесь, а атмосферный воздух, а топливо впрыскивается через форсунку в конце такта сжатия. В цилиндре, как и в случае с карбюраторным двигателем, остаются продукты сгорания рабочей смеси, которые не удалось удалить продувкой.
Смесеобразование (перемешивание воздуха, топлива и остаточных продуктов сгорания) в дизеле протекает внутри цилиндра, что и обуславливает основные отличия череды тактов, составляющих рабочий цикл.

Высокая степень сжатия приводит к тому, что поступивший в цилиндр через впускной клапан воздух, смешивается с остаточными газами и раскаляется (в буквальном смысле этого слова) до высоких температур. И в это время в цилиндр впрыскивается топливо, которое вспыхивает и начинает гореть.

Рабочие процессы в дизельном двигателе протекают в следующей последовательности :

Таким образом, в четырехтактном двигателе только один такт – рабочий ход является полезным с точки зрения совершения полезной работы, остальные три вспомогательные, они осуществляются за счет кинетической энергии маховика, закрепленного на конце коленчатого вала.

Рабочий цикл двухтактного двигателя

В двухтактных ДВС рабочий цикл осуществляется за один оборот коленчатого вала.
Схема двухтактного дизеля представлена на .
Воздух насосом 3 нагнетается через впускное (продувочное) окно 4 в цилиндр. В нижней части цилиндра напротив впускного окна имеется выпускное окно 7. В головке 5 блока цилиндра установлены форсунки 6.

(рис. 3, а) совершается при движении поршня от НМТ к ВМТ за счет кинетической энергии маховика двигателя. Оба окна открыты. Нагнетаемый через впускное окно 4 воздух вытесняет из цилиндра оставшиеся в нем отработавшие газы, которые выходят через выпускное окно 7. Таким образом происходит очистка цилиндра от отработавших газов (продувка) и заполнение его свежим зарядом.

Движущийся вверх поршень 8 сначала закрывает впускное окно, а затем выпускное окно. С этого момента начинается процесс сжатия, в конце которого через форсунку 6 впрыскивается топливо.
Таким образом, за первую половину оборота коленчатого вала совершаются процессы наполнения и сжатия, и начинается сгорание топлива.

(рис. 3. б) происходит при движении поршня ВМТ к НМТ. В результате выделения теплоты при сгорании топлива повышается температура и давление внутри цилиндра. Поршень перемещается вниз, совершая полезную работу.
Как только поршень открывает выпускное окно, отработавшие газы под давлением начинают выходить в окружающую среду. К моменту открытия впускного окна давление внутри цилиндра снижается на столько, что возможна очистка цилиндра путем вытеснения отработавших газов свежим зарядом воздуха, подаваемым в цилиндр насосом 3.
Этот процесс называется продувкой цилиндра. При этом одновременно с вытеснением отработавших газов происходит наполнение цилиндра свежим зарядом. Далее все процессы повторяются в той же последовательности.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя аналогичен рабочему циклу двухтактного дизеля. Отличие состоит в том, что в цилиндр поступает не чистый воздух, а горючая смесь, и в конце процесса сжатия в цилиндре посредством свечи зажигания подается искра, в результате чего происходит воспламенение горючей смеси.

Одним из преимуществ двухтактного двигателя по сравнению с четырехтактным является то, что каждый рабочий ход здесь протекает в период одного оборота коленчатого вала, а не двух. Очевидно, что снижение количества тактов должно привести к повышению КПД из-за уменьшения паразитических процессов . А поскольку в четырехтактном двигателе за два оборота коленчатого вала протекают четыре такта, из которых полезным является лишь такт рабочего хода (т. е. остальные три такта являются паразитическими), то естественно предположить, что КПД четырехтактного двигателя должен быть ниже, чем КПД четырехтактного двигателя.

Существенными недостатками двухтактных двигателей является их низкая топливная экономичность и меньший срок службы по сравнению с четырёхтактными двигателями. Объясняется этот недостаток тем, что при продувке цилиндра (или цилиндров) свежая горючая смесь частично удаляется вместе с отработавшими газами, поскольку, в отличие от четырехтактного двигателя, выпуск и впуск газов протекает одновременно.
Этими недостатками, а также большей токсичностью отработавших газов объясняется ограниченное применение двухтактных двигателей на автомобилях.

Реальные циклы тепловых двигателей

Все тепловые двигатели поршневого типа классифицируются на две основные группы – двигатели внешнего сгорания и двигатели внутреннего сгорания. Принципиальное различие между этими группами тепловых двигателей раскрывается в их названии – в двигателях внешнего сгорания (к таковым относятся паровые двигатели) рабочее тело получает тепло вне двигателя, и уже нагретым поступает в цилиндр для преобразования теплоты в полезную работу.

В двигателях внутреннего сгорания процесс подвода теплоты к рабочему телу осуществляется непосредственно в цилиндре двигателя. При этом происходят физико-химические преобразования рабочего тела.

Рабочим телом в двигателях внутреннего сгорания (далее – ДВС) являются в начале воздух или смесь воздуха с топливом, а в конце – смесь газов, образовавшаяся при сгорании топлива. Теплота к рабочему телу подводится от сжигаемого топлива внутри цилиндров двигателя, в которых расширяющийся от нагревания газ перемещает поршень.
Полученная газом энергия частично расходуется на совершение механической работы, остальная часть отдается окружающей среде либо расходуется на преодоление различных сопротивлений, в первую очередь – сил трения.

По способу приготовления горючей смеси все ДВС подразделяются на две группы: с внешним и внутренним смесеобразованием.

К двигателям с внешним смесеобразованием относятся карбюраторные и газовые двигатели. Рабочая смесь в них приготавливается в специальном устройстве – карбюраторе (при работе на бензине или керосине) или смесителе (при работе на газовом топливе). В этом случае в камеру сгорания подается уже готовая рабочая смесь, которая воспламеняется принудительно от электрической искры .

Отдельным типом двигателей с внутренним смесеобразованием являются инжекторные двигатели, у которых бензин впрыскивается в цилиндр (или в коллектор) в процессе такта сжатия, смешивается в цилиндре со сжатым воздухом и воспламеняется с помощью свечи зажигания.
Применение впрыска в бензиновых двигателях позволило в широких пределах регулировать смесеобразование, количество и качество подаваемого топлива, время впрыска, многофазный впрыск, а также использовать средства автоматизации и компьютеризации, т. е. применять многие достоинства дизельных двигателей к бензиновым.

По способу осуществления цикла ДВС могут быть двух- и четырехтактными.
В четырехтактном двигателе рабочий цикл осуществляется за четыре хода поршня , т.е. за два оборота вала, а в двухтактном двигателе – за два хода поршня, т.е. один оборот коленчатого вала.

Принципиальное устройство двигателя внутреннего сгорания

Основными элементами любого поршневого ДВС являются цилиндр с поршнем, возвратно-поступательное движение которого преобразуется во вращательное движение коленчатого вала с помощью кривошипно-шатунного механизма. В верхней части цилиндра размещены впускной и выпускной клапаны, приводимые в движение от главного вала двигателя, а также свеча зажигания топливной смеси (или форсунка для распыления топлива).
Помимо этого у ДВС имеются механизм газораспределения, системы питания топливом, зажигания, смазки, охлаждения и регулирования.

В возвратно-поступательном движении поршня различают два крайних положения: верхнее и нижнее, в которых поршень меняет направление движения на обратное. Эти положения называются мертвыми точками (ВМТ и НМТ).
Расстояние между мертвыми точками называют ходом поршня , а перемещение поршня из ВМТ в НМТ или наоборот – .
Внутренний объем цилиндра в пределах хода поршня называют рабочим объемом цилиндра.
Часть объема цилиндра, заключенную между крышкой и торцом поршня, находящегося в ВМТ, называют .

Для обеспечения наиболее полного сгорания топлива оно должно быть хорошо перемешано с воздухом. Смесь распыленного в воздухе топлива, предназначенного для сжигания, называют , а процесс приготовления рабочей смеси – .

Реальный цикл работы поршневого двигателя

Исследование работы реального поршневого двигателя проводят по диаграмме, в которой дается изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня за весь цикл.
Такую диаграмму, снятую с помощью специального прибора – индикатора, называют индикаторной диаграммой.

Рассмотрим приведенные здесь действительные индикаторные диаграммы четырехтактных поршневых двигателей (карбюраторного и дизельного), на которых можно выделить несколько характерных участков:

• 1-2 – заполнение цилиндра воздухом (при внутреннем смесеобразовании) или рабочей смесью (при внешнем смесеобразовании) при давлении несколько ниже атмосферного из-за гидродинамического сопротивления впускных клапанов и всасывающего трубопровода;
• 2-3 – сжатие воздуха или рабочей смеси;
• 3-4 – период горения рабочей смеси;
• 4-5 – рабочий ход поршня (расширение продуктов сгорания), совершается механическая работа;
• 5-6 – выхлоп отработавших газов, падение давления до атмосферного происходит практически при постоянном объеме (открывание выпускных клапанов);
• 6-1 – освобождение цилиндра от продуктов сгорания при открытых выпускных клапанах.

В реальных тепловых двигателях преобразование теплоты в работу связано с протеканием сложных необратимых процессов (имеются трение, химические реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен и др.). Термодинамический анализ такого цикла невозможен.

В связи с этим для выявления основных факторов, влияющих на эффективность работы установок, действительные процессы заменяют обратимыми термодинамическими процессами, допускающими применение для их анализа термодинамических методов. Такие циклы называют теоретическими.

Допущения, используемые для теоретических циклов:

• Циклы замкнуты (в действительности продукты сгорания удаляются в атмосферу, а на их место поступает новое рабочее тело).
• Рабочее тело – идеальный газ с постоянной теплоемкостью.
• Подвод теплоты осуществляется от внешних источников теплоты, а не за счет сжигания топлива (аналогично отвод теплоты).
• Механические потери (трение, потери теплоты) отсутствуют.
• Процессы 1-2 и 6-1 исключают из рассмотрения, т.к. работа в них практически одинаковая, только имеет разный знак.

Анализ циклов тепловых двигателей проводится в два этапа: сначала анализируется эффективность теоретического (т. е. обратимого или идеального) цикла, а затем — реальный цикл с учетом основных источников необратимости.

Для ДВС рассматривают следующие основные идеальные циклы:

• цикл с подводом теплоты при постоянном объеме ( = const) — (в некоторых источниках — цикл Бо де Роша);
• цикл с подводом теплоты при постоянном давлении ( = const) — ;
• цикл со смешанным подводом теплоты, который обычно осуществляется в два этапа —
  сначала при = const, а затем при = const.
  Такой цикл называют .

Иногда в средствах информации появляются сведения об изобретении других циклов ДВС, которые, при анализе, оказываются усовершенствованиями или разновидностями перечисленных выше циклов.
Так, недавно появились сведения об открытии цикла Ибадуллаева (по фамилии автора идеи). Этот изобретатель решил почти в три раза увеличить степень сжатия в двигателе ВАЗ с инжекторной системой питания, уменьшив конструктивно объем камеры сгорания. По замыслу Ибадуллаева это должно привести к повышению мощности и экономичности двигателя, что, в общем-то, с точки зрения термодинамики — не новость.

К слову сказать, сам Р. Дизель, разрабатывая свой двигатель, указывал на возможность его работы с использованием разнообразных видов топлива, в т. ч. и бензина. Правда первые же попытки Дизеля использовать бензин в качестве топлива для дизельного двигателя привели к взрыву, который едва не стоил жизни изобретателю, поэтому он отказался от бензина в пользу керосина.

Что касается двигателя Ибадуллаева, то, несмотря на изготовленный изобретателем опытный образец «жигуленка» с таким двигателем, идея не нашла отклика у производителей, а специалисты и ученые отказались признать его детище открытием в области теплотехники.

Отличие реального цикла ДВС от идеального цикла

Чтобы идеализировать реальный цикл, полагают, что:

• рабочее тело в цикле – это идеальный газ с постоянными свойствами;
• цикл замкнут (учитывая, что работы в процессах выталкивания и всасывания практически одинаковы и лишь противоположны по знаку, эти процессы заменяют обратимым изохорным процессом отвода теплоты, что делает цикл замкнутым);
• необратимый процесс сгорания, связанный с химическими изменениями состава газа, заменяется обратимым процессом подвода равного количества теплоты извне.

Принятые допущения, казалось бы, весьма далекие от реальной действительности, позволяют, тем не менее, получить расчетные результаты, совпадающие с результатами экспериментальных измерений основных характеристик цикла.

Различают три типа четырехтактных ДВС:

• быстрого сгорания с внешним зажиганием;
• медленного сгорания с самовоспламенением;
• смешанного типа.

В двигателях первого типа цилиндр заполняется смесью бензина с воздухом, приготовленной в карбюраторе (такие двигатели часто называют карбюраторными) – этот такт называется всасыванием. Далее впускной клапан закрывается, и происходит сжатие горючей смеси (второй такт).
С помощью электрической свечи происходит искровое зажигание топливовоздушной смеси, которая сгорает чрезвычайно быстро при почти неизменном положении поршня, т.е. практически при постоянном объеме, равном объему камеры сгорания. Затем в результате расширения продуктов сгорания совершается рабочий ход поршня (третий такт).
Наконец, происходит выхлоп – выброс продуктов сгорания через выпускной клапан под действием избыточного давления в цилиндре (четвертый такт – выпуск). Затем цикл повторяется.

Карбюратор (от фр. «carbure»r – обогащать углеродом) – узел системы питания ДВС, предназначенный для создания смеси жидкого топлива с воздухом оптимального состава и регулирования количества ее подачи в цилиндры двигателя. Подавляющее большинство существующих карбюраторов состоит из поплавковой камеры, обеспечивающей стабильный приток топлива, смесительной камеры, фактически представляющей собой трубку Вентури (трубу с горловиной, включаемую в разрыв трубопровода), и многочисленных дозирующих систем, включающих в себя топливные и воздушные каналы, дозирующие элементы.

На современных автомобильных двигателях применяется инжекторная система впрыска топлива. Инжектор – это струйный насос (от лат. «injectare» – вбрасывать). Основное отличие от карбюраторной системы – подача топлива осуществляется путем непосредственного впрыска топлива с помощью форсунок во впускной коллектор или в цилиндр.

В двигателях второго типа, называемых дизельными, используется тяжелое нефтяное (дизельное) топливо. При этом вместо свечи устанавливают форсунку для подачи распыленного топлива. На такте всасывания цилиндр такого двигателя заполняется не горючей смесью, а воздухом, который в результате интенсивного сжатия нагревается до высокой температуры, существенно превышающей температуру воспламенения топлива. В конце такта сжатия в цилиндр начинает подаваться топливо, распыливаемое сжатым воздухом, поступающим от компрессора.
Топливо поступает в цилиндр и медленно сгорает одновременно с перемещением поршня. В результате на протяжении всего времени сгорания топлива давление в цилиндре остается практически постоянным и равным давлению в конце такта сжатия. Остальные процессы протекают так же, как и в карбюраторных двигателях.

В двигателях третьего типа, называемых бескомпрессорными дизельными двигателями или двигателями Тринклера, такты всасывания и сжатия происходят так же, как в двигателях второго типа, однако дизельное топливо, впрыскиваемое в цилиндр в конце сжатия, распыливается не за счет компрессорного сжатия до весьма высокого давления в плунжерном топливном насосе.
В результате обеспечивается весьма тонкое распыливание топлива.
Первая порция его при этом сгорает очень быстро, обеспечивая, так же как и в двигателях первого типа, существенное повышение давления при практически постоянном объеме. Остальная часть топлива подается в цилиндр и сгорает медленно, одновременно с перемещением поршня, т.е. практически при постоянном давлении, как и в двигателях второго типа.
Поэтапная подача топлива в камеру сгорания возможна посредством многократного впрыска, либо использованием раздельной камеры сгорания: предварительной, в которой после впрыска начинается горение топлива, и основной камеры, в которой происходит догорание топлива (форкамерные двигатели).
Такой тип двигателей характеризуется смешанным сгоранием топлива — сначала по изохоре (при постоянном объеме), затем по изобаре (при постоянном давлении).

Эффективность реальных циклов ДВС

Экономичность реальных поршневых ДВС всегда меньше теоретических, рассчитанных по идеальному циклу, где не учитываются потери на трение, гидравлические сопротивления потоку газов в клапанах, неполнота сгорания топлива, изменение состава и теплоемкости рабочей смеси, неадиабатность процессов сжатия и расширения, насосные потери и т. д.
Экономичность реальных двигателей оценивают степенью превращения затраченной теплоты топлива в эффективную работу — :

ηe = Аe/QT ,

где:
— эффективная работа, которая передается внешнему потребителю (работа на валу двигателя);
— теплота, выделяемая при полном сгорании топлива в цилиндре.

Эффективный КПД учитывает не только термодинамические потери цикла, определяемые термическим КПД , но и механические потери на трение, определяемые механическим КПД , и потери внутри двигателя, вызванные необратимостью процессов и несовершенством реального двигателя, определяемые индикаторным КПД .
Индикаторный КПД оценивает величину потерь работы цикла, вызванных теплообменом между стенками цилиндра и рабочим телом, гидравлическими сопротивлениями в клапанах, несовершенством процесса сгорания топлива и др.:

ηi = Аi/Ац ,

где:
— работа цикла реального двигателя, равная площади действительной индикаторной диаграммы (индикаторная работа);
— работа цикла идеального двигателя.

В связи с наличием в двигателе узлов трения часть полученной полезной работы цикла расходуется на преодоление в них сил трения . Вот почему работа на выходном валу двигателя меньше индикаторной работы цикла на величину механического КПД, определяемого выражением

ηM = Аe/Аi .

Следует отметить, что механический КПД двигателей, работающих по циклу Тринклера, выше остальных в связи с отсутствием дополнительного компрессора, что и предопределило их широкое применение.
Таким образом, эффективный КПД выражается произведением:

ηe = Аe/QT = ηT×ηi×ηM

Увеличение эффективного КПД двигателя связано с увеличением каждого из КПД, входящих в формулу.

Энергетические и экономические показатели работы ДВС