11.1. Принцип работы поршневых ДВС

Рассмотрим принцип работы поршневых ДВС на примере четырехтактного карбюраторного двигателя (двигатель Отто).

На рис. 11.1 показаны схема цилиндра с поршнем ДВС и диаграмма изменения давления газа в цилиндре в зависимости от положения поршня – индикаторная диаграмма.

Первый такт двигателя характеризуется открытием впускного клапана 1к и за счет перемещения поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ) втягиванием воздуха или топливовоздушной смеси в цилиндр. На индикаторной диаграмме это линия 01, идущая от давления окружающей среды Р_ОС в область разряжения, создаваемую поршнем при движении.

Второй такт двигателя начинается при закрытых клапанах движением поршня от НМТ до ВМТ. При этом происходит сжатие рабочего тела с увеличением его давления и температуры (линия 12). Перед тем как поршень достигнет ВМТ, происходит воспламенение топлива, в результате чего происходит дальнейшее увеличение давления и температуры. Сам процесс сгорания топлива (линия 23) завершается уже при прохождении поршнем ВМТ. Второй такт двигателя считается завершенным при достижении поршнем ВМТ.

Третий такт двигателя характеризуется перемещением поршня от ВМТ до НМТ, это рабочий такт. Только в этом такте получается полезная механическая работа. Полное сгорание топлива завершается в точке 3 и на линии 34 происходит расширение продуктов сгорания.

Четвертый такт двигателя начинается при достижении поршнем НМТ и открытии выхлопного клапана 2к. При этом давление газов в цилиндре резко падает и при движении поршня в сторону ВМТ газы выталкиваются из цилиндра. При выталкивании газов в цилиндре давление больше атмосферного, т.к. газам необходимо преодолеть сопротивление выхлопного клапана, выхлопной трубы, глушителя и т.п. в выхлопном тракте двигателя. Достигнув поршнем положения ВМТ клапан 2к закрывается и цикл ДВС начинается заново с открытия клапана 1к и т.д..

Площадь, ограниченная индикаторной диаграммой 012340, соответствует работе ДВС, совершенной за два оборота коленчатого вала двигателя (за полных четыре такта двигателя). Для расчета мощности ДВС применяется среднее индикаторное давление двигателя Рi. Это давление соответствует площади 012340 (рис. 11.1) деленной на ход поршня в цилиндре (расстояние между ВМТ и НМТ). Используя индикаторное давление, работу ДВС за два оборота коленчатого вала можно представить в виде произведения Р_i на ход поршня L (площадь заштрихованного прямоугольника на рис. 11.1).

Индикаторная мощность ДВС (кВт) в расчете на один цилиндр определяется выражением

(11.1)

Коэффициент 1/2 в уравнении 11.1 соответствует четырехтактному двигателю, в котором один рабочий ход совершается за два оборота коленчатого вала.

Из уравнения 11.1 следует, что мощность ДВС прямо пропорциональна среднему индикаторному давлению, объему цилиндра и числу оборотов коленчатого вала. Максимальное число оборотов у большинства ДВС одинаково, это объясняется прочностными характеристиками металла в двигателе. Среднее индикаторное давление у одинаковых типов ДВС тоже одинаково. Поэтому объем цилиндра ДВС практически определяет его мощность, что и используется в бытовой практике для оценки мощности ДВС.