Четиритактов Двигател
ЧЕТИРИТАКТОВИЯТ ПРОЦЕС
Четиритактовият двигател има във всяка цилиндрова глава два клапана, и една запалителна свещ. Двата клапана, всмукателен и изпускателен, в съответен момент се отварят и отново затварят от газоразпределителния механизъм. Всмукателният клапан затваря свързания с карбуратора всмукателен тръбопровод към горивната камера, докато изпускателният клапан изпуска изгорелите газове навън през изпускателния тръбопровод (ауспуха). Запалителната свещ възпламенява чрез искра с високо напрежение гориво-въздушната смес.
Работният цикъл на четиритактовия двигател има четири отделни работни фази или тактове. Всеки такт отговаря на един ход на буталото или на половин оборот на колянобия вал. Така че при един работен процес на четиритактовия двигател коляновият вал се завърта два пъти.
Индикаторна диаграма на четиритактов двигател
На фиг. 18 са представени поотделно четирите такта. В първия такт движещото се надолу бутало създава в цилиндъра подналягане, така че през отворения всмукателен клапан в цилиндъра постъпва гориво-въздушна смес: всмукване. При втория такт двата клапана са затворени и движещото се нагоре бутало сгъстява гориво-въздушната смес в цилиндъра до една малка част от неговия първоначален обем, така че тя запълва само горивната камера: сгъстяване. В края на втория такт сместа се възпламенява чрез запалителната свещ, поради което в третия такт при огромно налягане и повишаване на температурата изгаря и изтласкна надолу буталото с голяма сила. Този трети такт е единственият от целия четиритактов процес, който създава сила: разширение (горене).
В четвъртия такт движещото се нагоре бутало изтласква изгорелите газове чрез отворения изпускателен клапан навън: изпускане.
С това един работен цикъл е завършен.
Отварянето и затварянето на клапаните не съвпадат обаче точно с началото и края на съответните тактове. Сместа, както всички тела, показва определена инертност и поради това преминава известно време макар това да са само части от секундата, преди газовете да преминат от състояние на покой в движение.
От друга страна, газовете след задвижването вследствие на тяхната инерция продължават да се движат още по-нататък, макар че върху тях не действа повече никаква ускоряваща сила. Това поведение на газовете се отчита от конструктора, поради което т.нар. фази на газоразпределението са съответно изменени, както показва фиг. 19. Така всмукателният клапан отваря малко преди буталото да достигне до горна мъртва точка. Следователно малко преди началото на такта на всмукването.
Устройство на двигател на автомобил
Когато започне всмукването, пред постъпващите газове всмукателният отвор е максимално открит. Всмукателният клапан се затваря, когато буталото вече е изминало една част от хода на сгъстяването, тъй като тогава в цилиндъра все още постъпва намиращата се в движение газова струя, за да се запълни той по възможност с по-голямо количество горивна смес.
Точните фази на газоразпределението, както е посочено на фиг.19, са дадени в ъглови градycи. При 360° отговарят на един оборот на коляновят вал и 180° – на един ход. Понякога фазите на газоразпределвнието са отнесени също към хода на буталото и се посочват в милиметри. Според това например всукателният клапан отваря 6 мм преди горната мъртва точка и затваря 20мм след долната.
Електрическата искра прескача също на няколко градуса преди горна мъртва точка, следователно още през време на компресионния ход. При започването на изгарянето на горивната смес или на работния такт настъпва моментално повишаване на налягането.
За да може цилиндърът, да се изпразни без остатък от изгорелите газове, изпускателният клапан се отваря предварително на около 50° преди долна мъртва точка и изгорелите газове излизат навън под налягане. Изпускателният клапан се затваря отново малко след горна мъртва точка, така че по възможност всички остатъчни газове да могат напуснат цилиндъра.
През това време всмукателният клапан е вече отворен за следващия всмукателен ход. Тук фазите на газоразпределвнието се застъпват в горна мъртва точка.
Ефективност на двигателя с вътрешно горене
При много двигатели точката на запалването се измества автоматически в зависимост от оборотите. Колкото по-високи са обороти те, толкова по-рано свещта възпламенява гориво-въздушната смес и обратно. Така и фазите на газоразпределението, които винаги са точно определени за даден тип двигатели, зависят от неговия характер. Спортните двигатели имат по-дълги времетраения на отварянето на клапаните, отколкото обикновените двигатели с оглед да се достигне по-благоприятна степен на пълнене и изпразване на цилиндъра – поради това, че тези двигатели вследствие повишените обороти имат значително по-къси фази на газоразпределение.
УПРАВЛЕНИЕТО НА КЛАПАНИТЕ
Целият работен цикъл на четиритактовия двигател се определя от движенията на буталото и клапаните и тяхната газоразпредели-телна дейност. На фиг. 20 са показани клапани в различни разположения.
Клапанът се състои от стебло и глава. Силната клапанна пружина 7 притиска главата на клапана 3 срещу конусообразната шлифована работна повърхност върху съответно оформеното клапанно гнездо в цилиндровата глава, респ. в блока на двигателя. Клапанното стебло 4, което се плъзга в направляващата втулка 6, приема върху свободния си край пружинната талерка, на която се опира пружината.
Главата на клапана е абсолютно точно шлифована за своето гнездо. Докато всмукателният клапан в пресния поток на гориво-въздушната смес постоянно отново се охлажда, изпускателният клапан се загрява отчасти докъм 850° С, тъй като непрекъснато е изложен на горещия поток от изгорели газове. За да се изключи деформирането на изпускателния клапан, за изработването му могат да се използват само специални стомани.
Двигатели с вътрешно горене презентация
Според разположението в двигателя се различават стоящи клапани (фиг. 20/1) или висящи клапани (фиг. 20/2а – с). Стоящи клапани се използуват вече рядко тъй като при тяхното приложение се получава неблагоприятна форма на горивната камера.
Коляновият вал на двигателя движи чрез двойка зъбни или верижни зъбни колела разпределителния вал, който е разположен успоредно на коляновия вал или в картера, или в цилиндровата глава. Разпределителният вал се върти два пъти по-бавно от коляновия вал, следователно два оборота на коляновия Нарича се още гърбичен поради разположените върху него за всички цилиндър по две специално профилирани гърбици, който предизвикват отварянето и затвйрянето на клапаните.
Разпределителният вал 1 в задейства при своето въртене директно клапана, а най-напред клапанния повдиган 9, който се плъзга в съответния водач на повдигана в картера на двигателя.
За задействането на един стоящ клапан (фиг. 40/1) повдигателният ход се предава директно отдолу върху клапана. Тъй като и тук се проявява неизбежното топлинно разширяване на стеблото, върху повдигана е поставен регулировъчен винт 8 с осигурителна гайка, който позволява да се регулира хлабината между клапана и повдигана. Необходима е хлабина от 0,1 до 0,4 мм, за да може най-вече изпускателният клапан при загрят двигател да не се притиска непрекъснато»от повдигана. В противен случай главата на клапана не би могла да уплътнява повече гнездото.
Висящи клапани могат да се задействат по многобройни начини. Най-често разпределителният вал с клапанните повдигани се намира В картера на двигателя (фиг. 20/Па). Върху цилиндроВата глава за Всеки клапан е предвидена по една кобилица 7 Ь която с единия си край натиска надолу клапанното стъбло – следователно отВаря клапана, докато другият край се повдига от гърбицата чрез поВдигача и свързващия ги повдигателен прът 13.
Газоразпределителен Механизъм
Регулиращият винт за хлабината е поставен върху кобилицата и със своя сферичен край образува ябълковидно съединение 12 с повдигателния прът, койтр от своя страна има сферичен долен край и е лагеруван в клапанния повдигач.
Някои от горепосочените детайли могат да отпаднат, ако гърбичният вал се премести върху цилиндровата глава. В такъв случай отпада необходимостта от повдигателни прътове, а ако гърбиците натискат пряко върху клапанните – и от кобилици.
Намиращият се високо гърбичен вал се задвижва от редица зъбни колела, от верига, от зъбчат ремък или вертикално поставен вал (фиг. 21/HI).
Хидравлично регулиране на постоянна хлабина на клапаните е показано на фиг. 21/1. Чрез това сложно техническо решение става излишно до се регулира хлабината на клапана ръчно и двигателят подобрява безшумната си работа. Намиращото се под налягане масло в маслената магистрала 1 притиска постоянно едно буталце към клапана. Когато гърбицата задействува повдигана, сачмен обратен клапан 2 затваря канала за връщащото се масло. От затвореното под налягане масло клапанът се повдига.
ГОРИВНАТА КАМЕРА
Както се посочи вече, формата на избраното компресионно пространство (ще го оз чаваме по-нататък като горивна камера) оказва голямо влияние върху протичането на горенето. Практическите изпитания в двигатело-строенето са показали, че полусферичната горивна камера отговаря най-добре на поставените изисквания.
Сферата, респ. полусферата, притежава за даден обем най-малката повърхност и дава възможност за отвеждане навън на най-малко количество топлина и за поддържане на рационален топлинен баланс на двигателя. От друга страна, цилиндровата глава не трябва да се загрява много, тъй като в такъв случай се предизвикват понижаващите мощността самозапалвания на гориво-въздушната смес, а оттам и чукане в двигателя. Прекомерно загретите цилиндрови глави понижават също и степента на пълненето на цилиндрите, тъй като постъпващите пресни газове се загряват веднага от стената на цилиндровата глава и се разширяват.
Висящите клапани позволяват създаването на проста форма на всмукателния и изпускателния канал, което намалява препятствията за газовите потоци. Освен това материалът е симетрично разпределен, така че топлинните напрежения се избягват. Запалителната свещ се поставя по възможност в средата на цилиндровата глава между двата клапана или малко встрани, за да може пламъковият фронт 9° ся разпространява равномерно през гориво- въздушната смес.
Конструктивното усложняване, свързано с такива горивни камери, се компенсира с допълнителното повишаване на мощността от около 15%.
Степента на сгъстяване
Многобройни решения имат за цел намиране на компромиси между възможно по-благоприятната форма на горивната камера и несложна-та производствена технология и поддържането на клапанния механизъм. Нека разгледаме вариант на горивна камера, която се употребява в една или друга видоизменена форма при стоящите клапани. Фиг. 20/1 показва една такава горивна камера, която е била най-напред създадена от английския специалист Рикардо и представлява най-благоприятното решение.
Собствено тя прилича на полусферичната горивна камера, която е изместена настрани от клапаните и е сплесната към буталото. Гориво-въздушната смес се завихря интензивно и клапаните, както и запалителната свещ/ остават относително студени. В случая стоящите клапани се наклоняват малко навън, чрез което се избягват остри завои на газовите канали в горивната камера.
В ТЪРСЕНЕ НА НОВИ ПЪТИЩА
Колкото по-голямо е сгъстяването при даден двигател, толкова по-голям е получаваният от него коефициент на полезно действие. Това се установява вече при разглеждането на степента на сгъстяване. Коефициент на полезно действие в този случай се нарича използуването на съдържащата се в горивото енергия; колкото по-добре се използува тази енергия, толкова по-малък е разходът на гориво на двигателя. При разглеждането на дизеловия двигател този въпрос ще бъде изяснен по-подробно.
Степента на компресия обаче не може просто да се повишава произволно, без да се вземат определени конструктивни мерки, които да предотвратяват възникването на създаващото опасности детонационно горене на обикновения бензин. По чукането или звънтенето в двигателя се констатира самозапалването на бензина вследствие на твърде високото загряване при повишено сгъстяване или вследствие на самовъзпламеняване в т. нар. “топлинни гнезда”( силно нагрети места вътре в цилиндъра).
Детонационната устойчивост на бензина се означава чрез октановоточисло. Обикновеният бензин има октаново число от 79 go 8Q, високооктановият бензин или супербензинът има октаново число 90 и повече.
Двигатели с вътрешно горене презентация
Известно е, че двигателят “Ауди“ като бензинов двигател притежава степен на сгъстяване 11,2 (фиг. 16/П). С това той се приближава до дизеловия двигател. Действително тук са използувани познанията от дизелостроенето особено за управляване на процесите пълнене и изгаряне, благодарение на което в един двигател като “Ауди“ с високи стойности на наляганията в цилиндъра в областта на средните обороти може да изгаря без детонация и стандартният супербензин.
Гориво-въздушната смес, получавана в карбуратора с падаща струя, постъпва в цилиндрите по отопляеми всмукателни тръби с еднаква дължина, което осигурява преди всичко еднакво пълнене на всички цилиндри. Тук всмукателните тръби се съединяват със спирално оформени всмукателни канали и сместа е принудена да обтича всмукателния клапан по спирала със 130 до 150 оборота в секунда.
Гориво-въздусината смес продължава да се размесва и разпределя при своето енергично завихрено движение по-нататък в цилиндъра, охлажда евентуални “топлинни гнезда“ и се размесва с останалите газове от предшествуващото изгаряне. В края на сгъстяването гориво-въздушната смес се завихря и ускорява своето въртене особено силно в останалото свободно пространство над буталото, което осигурява бързо и равномерно разпространение на пламъковия фронт след възпламеняването (фиг. 22).
Един малък изрез в дъното на буталото осигурява добро отвеждане на топлината и противо-действува на възникването на детонационни огнища. Въпреки това този двигател притежава по-висока работна температура, а това изисква и по-здрава конструкция. Своеобразният вариант на двигателя показва ясно, че добрият стар бутален двигател е още способен за някои подобрения.
