7.2. Принцип работы четырехтактного двигателя

Поршневой четырехтактный двигатель (рис. 7.2.1) состоит из картера, образующего кривошипную камеру, где находится криво-шипно-шатунный механизм; цилиндра, внутри которого движется поршень, и головки цилиндра, в которой размещены органы газо­распределения – впускной и выпускной клапаны.

Поршень перемещается в цилиндре из одного крайнего положения в другое, совершая возвратно-поступательное движение. Эти крайние положения поршня называют положениями в мертвых точках. Положение поршня, когда расстояние между ним и головкой цилиндра наименьшее, называют положением во внутренней (верхней) мертвой точке и обозначают в. м. т. Другое крайнее положение поршни, когда расстояние между ним и головкой цилиндра достигает наибольшей величины, называют положением в наружной (нижней) мертвой точке – п. м. т. Часть рабочего цикла, соответствующая перемещению поршня из одной мертвой точки в другую, называют тактом.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из следующих четырех тактов: впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Порядок работы четырехтактного дизеля таков.

Во время такта впуска поршень перемещается из в. м. т. в н. м. т. В начале этого такта открывается впускной клапан. При движении поршня по направлению к н. м. т. объем, заключенный между поршнем, стенками и головкой цилиндра, увеличивается. В цилиндре создается разрежение. Вследствие этого воздух из окружающей среды через впускной клапан попадает в цилиндр.

Затем начинается обратное движение поршня из н. м. т. в в. м. т., при этом впускной клапан закрывается. Так как пространство между поршнем и головкой цилиндра уменьшается, заключенный в ци­линдре воздух сжимается. Происходит такт сжатия. При сжатии повышаются давление и температура сжимаемого воздуха. В конце такта сжатия в цилиндр впрыскивается топливо, которое под воздействием горячего воздуха самовоспламеняется. Выделение тепла при сгорании топлива вызывает резкое повышение давления и температуры воздуха по сравнению с той температурой и давлением, которые имел воздух в конце сжатия.

Рис. 7.2.1. Принцип работы четырехтактного двигателя: а – впуск; б – сжатие; в – расширение; г – выпуск

Под действием повышенного давления поршень перемещается из в. м. т. в н. м. т. и в цилиндре совершается такт расширения или рабочий ход. Находящиеся в цилиндре продукты сгорания расширяются, а давление и температура их понижаются. При этом тепловая энергия газов преобразуется в механическую работу. Часть механической энергии затрачивается на преодоление полезных сопротивлений, т. е. на приведение в движение генератора, греб­ного винта или колес автомобиля. Остальная часть механической энергии расходуется на преодоление сопротивлений от сил трения и противодавления газов во время подготовительных тактов и на увеличение живой силы движущихся частей двигателя (главным образом маховика). При этом увеличивается угловая скорость вра­щения коленчатого вала, т. е. избыточная часть механической энергии, полученная во время такта расширения, из потенциальной преобразуется в кинетическую. Во время такта расширения маховик как бы накапливает, т. е. аккумулирует механическую энергию, которую он отдает в течение остальных трех тактов.

За тактом расширения следует такт выпуска. В начале этого такта открывается выпускной клапан, и поршень, перемещаясь из н. м. т. в в. м. т., выталкивает продукты сгорания в атмосферу. Некоторая часть продуктов сгорания (остаточные газы) остается в пространстве между поршнем и головкой цилиндра.

Тактом выпуска заканчивается рабочий цикл, а затем процесс повторяется в той же последовательности.

Такты впуска и выпуска называют насосными ходами. В течение этих тактов поршень двигателя работает как поршень насоса, засасывая воздух и выталкивая из цилиндра

продукты сгорания.

У четырехтактных двигателей с электрическим зажиганием рабочий цикл протекает в основном так же, как у дизелей. Разница заключается в том, что в цилиндр во время такта впуска засасывается не чистый воздух, а горючая смесь воздуха с газообразным или испарившимся жидким топливом. Поэтому такие двигатели называют двигателями с внешним смесеобразо­ванием, а дизели двигателями с внутренним смесеобразованием. Кроме того, у бензиновых и газовых двигателей горючая смесь воспламеняется принудительно электрической искрой, а не самовоспламеняется вследствие сжатия, как у дизелей.

У большинства поршневых двигателей для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала применяется кривошипно-шатунный механизм .

Во время такта расширения усилие от давления газов через поршень передается на поршневой палец и на шатун и одновременно прижимает поршень к стенке цилиндра с силой . Усилие , направленное по оси шатуна, через шатунную шейку действует на колено вала. Радиальное усилие , направленное по радиусу кривошипа, прижимает коренные шейки коленчатого вала к подшипникам, а тангенциальное касательное усилие , направленное перпендикулярно радиусу кривошипа и приложенное к шатунной шейке, вращает коленчатый вал.

Объем, описываемый поршнем при перемещении от одной мертвой точки в другую, называется рабочим объемом ци­линдра.

Объем между головкой цилиндра и поршнем, находящимся в н. м. т., называется полным объемом цилиндра. Объем между головкой цилиндра и поршнем, находящимся в в. м. т., называется пространством сжатия .