Принцип работы модельных двигателей
В двухтактных двигателях все рабочие процессы происходят за два такта, которые выполняются за один оборот коленчатого вала. В процессе работы двухтактного двигателя также принимает участие переменный объем, образованный полостью картера и нижней стороной донца поршня.
Первый такт – «всасывание-сжатие», при вращении коленчатого вала (КВ) поршень двигается вверх от нижней мертвой точки (НМТ) к верхней мертвой точке (ВМТ). В течение этого такта в полость картера, через золотниковое устройство всасывается новая порция воздушно-топливной смеси (обычно говорят – происходит впуск горючей смеси) и одновременно происходит сжатие, но уже в объеме цилиндра, предыдущей порции горючей смеси (ГС).
За некоторое время перед завершением первого такта (это называется опережением зажигания), в цилиндре происходит воспламенение ГС, при горении которой резко возрастает давление внутри камеры сгорания. Это давление воздействует на донце поршня, заставляя его двигаться от ВМТ к НМТ.
Опережение зажигания требуется для того, чтобы к моменту достижения поршнем ВМТ процесс горения ГС в камере сгорания уже начался, но еще не достиг своего максимума, в момент которого в цилиндре развивается наибольшее давление. Оптимальное время достижения максимума давления соответствует углу поворота КВ на 10-12 градусов после прохождения ВМТ. В этот момент поршень уже движется вниз, а кинематика КШМ может обеспечить максимальную эффективность преобразования тепловой энергии расширяющихся продуктов горения в механическую энергию вращающегося коленчатого вала.
Второй такт – «рабочий ход-продувка», включает в себя процесс расширения сгорающего топлива (собственно это и есть рабочий ход, в результате которого на коленчатом валу развивается механическая мощность), и процесс сжатия в полости картера свежей ГС, засосанной туда в первом такте. После прохождения поршнем примерно половины пути вниз, открывается выхлопное окно, и начинается процесс выхлопа, в результате которого газы, образовавшиеся в процессе горения топлива, выбрасываются из цилиндра наружу (в атмосферу или в полость глушителя), а еще чуть позже, после открытия перепускного окна (их может быть несколько), сжатая в картере свежая порция ГС устремляется в цилиндр, вытесняя от туда остатки отработанных газов. Этот процесс называется продувкой.
Таким образом, все процессы в двухтактном двигателе происходят за один полный оборот коленчатого вала.
Относительное время протекания каждого процесса в двигателе принято называть фазой. Численно все фазы выражают не в единицах измерения времени, а в угловых градусах, которые показывают угол поворота коленчатого вала вокруг своей оси, в течение которого происходит тот или иной процесс в двигателе. Это позволяет максимально точно описать все процессы, независимо от скорости вращения коленчатого вала двигателя.
Несмотря на то, что в течение одного такта происходит сразу несколько взаимосвязанных процессов, при анализе работы двухтактного двигателя достаточно рассматривать фазы всего трех процессов: фазы впуска, фазы продувки и фазы выхлопа.
Следует помнить, что в двухтактных двигателях основные процессы газораспределения регулируются поршнем, и являются симметричными относительно НМТ и ВМТ. Только процесс впуска регулируется дополнительным золотниковым устройством, и для достижения максимальной эффективности специально делается асимметричным относительно НМТ, что в конечном итоге определяет направление вращения коленчатого вала.
Для наглядности фазы газораспределения часто изображают графически на совмещенной круговой диаграмме.
Мы еще не раз будем возвращаться к фазам процессов, происходящих в двигателях.
В четырехтактном двигателе принято все процессы отсчитывать с момента начала движения поршня вниз от ВМТ. Кроме того, в отличие от двухтактных двигателей, объем картера четырехтактного двигателя не принимает участие в рабочих процессах, а просто соединен с атмосферой специальным каналом - сапуном.
Первый такт – «всасывание», длится примерно пол-оборота КВ, в течение которого поршень движется от ВМТ к НМТ. Наполнение цилиндра свежей ГС происходит не через золотниковое устройство, сообщающееся с полостью картера, а через открытый в это время клапан, установленный непосредственно в головке цилиндра.
Второй такт – «сжатие», длится следующие пол-оборота КВ. Поршень движется в обратном направлении, от НМТ к ВМТ, сжимая в камере сгорания ГС и подготавливая ее к воспламенению. Впускной клапан при этом уже закрыт. Перед окончанием такта сжатия (здесь также есть опережение зажигания) происходит воспламенение смеси раскаленной спиралью или искровым разрядом свечи, после чего давление в камере сгорания возрастает и начинает воздействовать на донце поршня, который устремляется вниз.
Третий такт – «рабочий ход», длится очередные пол-оборота КВ. В течение этого такта происходит преобразование потенциальной энергии топлива в кинетическую энергию вращающегося коленчатого вала. Все клапаны закрыты.
Четвертый такт – «выхлоп», также длится пол-оборота. В течение этого такта, при движении поршня вверх, отработанные газы из цилиндра выталкиваются через открывшийся выхлопной клапан наружу (в атмосферу или в полость глушителя).
На этом все процессы цикла завершаются, и при дальнейшем вращении коленвала, в двигателе начинается следующий цикл процессов газораспределения.
Фазы четырехтактного двигателя задаются распределительным валом с кулачками специальной формы, существенно отличаются от фаз двухтактного двигателя и, как правило, не являются симметричными. Но это – тема для отдельного разговора, выходящего за рамки этой статьи.
Очевидно, что в четырехтактных двигателях общая длительность протекания всех процессов в два раза больше, чем в двухтактных – они происходят за время, в течение которого КВ совершает не один, а два оборота. Соответственно, и рабочий ход совершается в два раза реже. Именно поэтому двухтактные двигатели имеют более высокую литровую мощность, т.е. при равной кубатуре двух- и четырехтактных двигателей, двухтактный двигатель теоретически должен быть в два раза мощнее. Но на практике этого не происходит, т.к. физическая эффективность всех процессов в четырехтактных двигателях выше, а внутренние потери – меньше. Тем не менее, в тех случаях, когда при ограниченной кубатуре двигателя требуется получить максимальную мощность, предпочтение отдается двухтактным моторам.
И.В. Карпунин (aka Glider)
Обсудить на форуме
|
