В четырёхтактном карбюраторном двигателе один такт приходится на каждый полуоборот, а за два оборота коленвала выполняется полный цикл работы.
В процессе движения поршня (4) [рис. 1, Б)] от в.м.т (верхней мертвой точки) к н.м.т. (нижней мёртвой точке) и открытом впускной клапане (6) происходит такт впуска, во время которого свежий заряд заполняет надпрошневой объём. Давление в цилиндре при этом равно 0,07-0,09 МПа, а температура смеси за счёт подогрева от стенок и остаточных газов достигает 70-100 град. Цельсия.
Рис. 1. Двигатель внутреннего сгорания.
А) – Основные сборочные единицы и размеры поршневого двигателя;
1) – Блок-картер с водяной рубашкой;
2) – Поршень с шатуном;
3) – Головка цилиндров с клапанами;
4) – Коленчатый вал;
5) – Поддон для масла;
6) – Пусковой электростартер;
d – Диаметр цилиндра;
r – Радиус кривошипа;
S – Ход поршня;
Рп, Рн, Рш, T, Z – силы, которые действуют в кривошипном механизме двигателя;
Б) – Рабочий цикл одноцилиндрового двигателя;
I – Такт впуска;
II – Такт сжатия;
III – Такт расширения;
IV – Такт выпуска;
1) – Цилиндр;
2) – Выпускная труба;
3) – Выпускной клапан;
4) – Поршень;
5) – Искровая свеча зажигания;
6) – Впускной клапан;
7) – Впускная труба;
8) – Карбюратор;
9) – Шатун;
10) – Коленчатый вал.
При обратном ходе поршня (когда закрыты оба клапана) происходит уменьшение объёма над поршнем – такт сжатия (заряд сжимается). В конце такта температура повышается до 300-400 град. Цельсия, а давление – до 0,7-1,2 МПа. После того как сжатая смесь воспламеняется, вблизи в.м.т. происходит увеличение температуры газов до 2500-2700 град. Цельсия, а давления до 3,5-4,5 МПа. Поршень движется к н.м.т. при закрытых клапанах, а работа расширения горячих газов передаётся коленвалу (рабочий ход). К концу расширения рабочих газов происходит снижение температуры до 1000-1200 град. Цельсия, а давления – до 0,3-0,4 МПа.
Такт выпуска осуществляется, когда поршень движется от н.м.т. к в.м.т. и открытом выпускном клапане (3) с вытеснением из цилиндра продуктов сгорания. В цилиндре температура понижается до 50-540 град. Цельсия, а давление – до 0,11-0,12 МПа.
Рабочий цикл дизельного двигателя отличается от карбюраторного раздельной подачей воздуха и топлива, а на такте сжатия в цилиндре находится только воздух, чьё давление достигает 3,5-4 МПа (температура 530-630 град. Цельсия), а впрыскивание топлива осуществляется в горячий (сжатый) воздух вблизи в.м.т.
В дизельных двигателях смесь воспламеняется не от искры, а от контакта горячих молекул воздуха (температура воздуха в значительной степени превышает температуру самовоспламенения топлива) с молекулами топлива.
Двухтактные двигатели изготавливаются двух типов:
1) – с внешним смесеобразованием;
2) – с внутренним смесеобразованием.
Простейшим двухтактным двигателем является одноцилиндровый двигатель с внешним смесеобразованием, у которого кривошипная камера также выполняет функцию предварительного компрессора. Данные двигатели называются двигателями с кривошипно-камерной продувкой [рис. 2, Б)]. В нем одновременно происходит пара процессов: один – над поршнем, а другой – под поршнем. В процессе движения к н.м.т. над поршнем происходит горение рабочей смеси (то есть рабочий ход), а под поршнем – сжатие. Впускные и выпускные продувочные окна открываются при приближении к нижней мёртвой точке, при этом надпоршневое пространство соединяется с кривошипной камерой и атмосферой, вследствие чего осуществляется выпуск газов, а цилиндр продувается и снова заполняется из кривошипной камеры свежей смесью. Этим процессом завершается первый такт.
Рис. 2. Двухтактный двигатель. Схема устройства и работы.
А) – Двухтактный карбюраторный двигатель;
1) – Канал, который идёт из кривошипной камеры;
2) – Продувочное окно;
3) – Поршень;
4) – Цилиндр;
5) – Свеча;
6) – Выпускное окно;
7) – Впускное окно;
8) – Карбюратор;
9) – Кривошипная камера;
Б) – Двухтактный дизельный двигатель;
1) – Продувочный насос;
2) – Кулачковый вал;
3) – Выпускной клапан;
4) – Продувочные окна.
При движении поршня к в.м.т. происходит второй такт: над поршнем – сжатие, а объём кривошипной камеры увеличивается и заполняется свежим зарядом (то есть происходит впуск).
Данные двигатели обладают невысокой степенью сжатия, а воспламенение в них горючей смеси выполняется, как и в четырёхтактных карбюраторных двигателях, от искры.
Использование в многоцилиндровых двигателях двухтактного цикла требует наличия нагнетателя (дополнительного компрессора), который необходим для продувки, а также заполнения цилиндров.
Дизельные двигатели также могут работать по двухтактному циклу, но ввиду того, что у них воспламенение топлива осуществляется от высокой температуры сжатого воздуха – в данном случае степень сжатия должна вдвое превышать степень сжатия карбюраторного двигателя, а топливо должно не всасываться, а впрыскиваться форсунками.
Схема двухтактного дизельного двигателя с принудительной прямой продувкой показана на [рис. 2, А)]. При рабочем ходе поршня вблизи н.м.т. открываются выпускные клапаны (3) и продувочные окна (4), выполняется очистка цилиндра от продуктов сгорания и его заполнение свежим зарядом воздуха.
В начале хода поршня к в.м.т. клапан и продувочные окна закрываются, осуществляется сжатие воздуха до 3,0-4,0 МПа.
Около в.м.т. в цилиндр впрыскивается топливо, где происходит его воспламенение и горение. Рабочий ход поршня аналогичен четырёхтактным двигателям.