Как это работает — четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Автомобильные двигатели чаще всего работают по четырёхтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

В карбюраторном четырёхтактном двигателе рабочий цикл происходит следующим образом.

История

Примерно 1854-1857 годов итальянцы Евгенио Барсанти и Феличче Матоци создали устройство, которое, согласно существующим сведениям, походило на 4 тактный мотор. Несмотря на это, 4 тактный мотор был запатентован только в 1861 Алфоном де Роше, поскольку изобретение итальянцев было потеряно.

В первый раз пригодный к работе 4 тактный мотор был создан немецким инженером Николаусом Отто, в честь которого четырехтактный цикл назвали циклом Отто, а применяющий свечи зажигания 4 тактный мотор – двигателем Отто.

Принцип работы и основная характеристика

Рабочий цикл ДВС (двигателя внутреннего сгорания) состоит из ряда процессов, при которых усиливается мощность двигателя, воздействующего на коленчатый вал. Состоит рабочий цикл из нескольких этапов:

• цилиндр заполняется топливной смесью;
• смесь сжимается;
• топливная смесь воспламеняется;
• газы расширяются и цилиндр очищается.

В ДВС поршень двигается в одном направлении (вниз или вверх). Коленчатый вал совершает один оборот в два такта. Рабочим ходом поршня называют тот, при котором совершается полезная работа, и расширяются сгоревшие газы.

Двухтактными называют двигатели, в которых цикл совершается в один оборот коленчатого вала или за два такта. Четырехтактные агрегаты характеризуются совершением рабочего цикла за два оборота коленвала или за четыре такта.

Основные характерные показатели 4 тактного двигателя:

1. За счет движения рабочего поршня происходит обмен газов.
2. Агрегат оснащен газораспределительным механизмом, позволяющим цилиндровую полость переключать на впуск и выпуск.
3. Происходит обмен газов в момент отдельного полуоборота коленвала.
4. Шестерные редукторы и ременная цепная передача дают возможность изменить моменты впрыскивания бензина, зажигания и привода газораспределительного механизма по отношению к частоте вращения коленвала.

Порядок работы

4-х тактный ДВС на сегодня наиболее распространенный силовой агрегат. Функционирует он, используя так называемый цикл Отто, состоящий из четырех последовательных тактов.

Такт представляет собой один полный ход поршня, во время которого коленвал совершает два оборота в направлении вращения часовой стрелки.

Работу 4-х тактного силового агрегата проще всего описывать, обратившись к простейшей конструкции, состоящей из:

1. собственно цилиндра;
2. поршня;
3. двух клапанов (впуск и выпуск);
4. свечи зажигания;
5. коленвала;
6. шатуна.

Классический ДВС отличается от такого механизма только большим числом цилиндров, работа которых синхронизирована определенным образом.

В простейшем одноцилиндровом ДВС последовательно осуществляются:

• 1 такт: впуск или всасывание.

Все начинается с того, что поршень находится в самом верхнем положении (верхней мертвой точке). А коленвал совершает половину оборота (0-180 градусов), толкая поршень в нижнее положение (нижнюю мертвую точку).

Благодаря этому действию в верхней области цилиндра образуется разрежение и раскрывается впускной клапан. Он становится открытым полностью в то время, когда поршень достигает нижнего уровня. Благодаря возникшему разрежению в цилиндр засасывается порция горючей смеси (воздух+пары бензина). При смешивании горючей смеси с продуктами сгорания от предыдущего цикла в цилиндре образуется рабочая смесь.

Примечание: в дизельном двигателе горючая смесь образуется прямо в цилиндре. Сначала происходит всасывание порции воздуха, который в процессе сжатия нагревается до температуры воспламенения, а затем, перед тем как поршень достигнет верхнего положения, происходит впрыск каплеобразного жидкого топлива. Процесс горения происходит только во время впрыска топлива.

• 2 такт: сжатия или компрессия

Он начинается при перемещении поршня вверх от нижнего уровня к верхнему. В это время коленвал снова поворачивается на ½ оборота (180-360 градусов).

При этом впускной и выпускной клапаны закрыты, из-за чего рабочая смесь начинает сжиматься.

В этом такте давление и температура в цилиндре повышаются приблизительно до 1,8 МПа и 600 С° соответственно.

• 3 такт: расширения или рабочий ход

В момент, когда достигается максимальная величина сжатия, включается свеча зажигания, от искры которой рабочая смесь воспламеняется и сгорает. В этом такте температура и давление в цилиндре доходят до 2500 С° и 5 МПа. Увеличившиеся температура и давление заставляют двигаться поршень вниз. А шатун, связывающий поршень и коленчатый вал, сообщает последнему вращательное действие, и он совершает следующие ½ оборота.

Именно в этом такте тепловая энергия переходит в механическую, и осуществляется полезная работа. Далее открывается выпускной клапан благодаря тому, что поршень перемещается вниз, что обеспечивает отвод отработанного газа. Когда поршень доходит до самого нижнего уровня – клапан максимально открыт. Сбросу давления до 0,65 МПа сопутствует понижение температуры до 1200 С°.

• 4 такт: выпуск

Поршень находится на нижнем уровне и под влиянием поворота коленчатого вала (180-360 градусов) перемещается вверх, выталкивая отработанный газ через открытый выпускной клапан.

В итоге, температура в цилиндре снижается до 500 С°, а поршень находится в верхнем положении. Так как избавиться от отработанных газов совсем не удается, остаточное давление в цилиндре держится на уровне 0,1 МПа, а оставшийся газ принимает участие в следующем такте.

Работа двигателя происходит за счет многократного повторения 4-х тактного цикла.

Главные особенности четырёхтактного двигателя

• Газообмен в цилиндре практически полностью обеспечивается перемещением рабочего поршня;
• Для переключения полости цилиндра на впуск и на выхлоп используется отдельный газораспределительный механизм;
• Каждая фаза газообмена выполняется во время отдельного полуоборота коленчатого вала;
• Привод систем газораспределения, зажигания и впрыска топлива должен вращаться с частотой вдвое меньшей, чем частота вращения коленчатого вала двигателя. Для этого могут применяться как шестерёнчатые редукторы, так цепная или ременная передача.

Как работают клапаны?

Система клапанов состоит из, собственно, клапанов и механизма, который открывает и закрывает их. Система открытия и закрытия их называется распределительным валом. Распределительный вал имеет специальные детали на своей оси, которые движут клапаны вверх и вниз, как показано на рисунке ниже.

Большинство современных двигателей имеют то, что называют накладными кулачками. Это означает, что вал расположен над клапанами, как Вы видите на рисунке. Старые двигатели используют распределительный вал, расположенный в картере возле коленчатого вала. Распределительный вал, крутясь, двигает кулачок выступом вниз таким образом, чтобы он продавливал клапан вниз, создавая зазор для прохода топлива или выпуска отработавших газов. Ремень ГРМ или цепной привод приводится в движение коленчатым валом и передаёт кручение от него к распределительному валу так, что клапаны находятся в синхронизации с поршнями. Распределительный вал всегда крутится в один-два раза медленнее коленчатого вала. Многие высокопроизводительные двигатели имеют четыре клапана на цилиндр (два для приёма топлива внутрь и два для вытяжки отработавшей смеси).

Газораспределительный механизм

Атрибутивный агрегат четырёхтактного двигателя, управляет газообменом при смене тактов, обеспечивая поочередное подключение полости цилиндра к впускному и выхлопному коллекторам.

Управление газораспределением может осуществляться:

МЕХАНИЧЕСКИ: — распределительным кулачковым валом или валами с клапанами; — цилиндрическими гильзовыми золотниками, движущимися возвратно-поступательно либо вращающимися в головке цилиндров;МИКРОПРОЦЕССОРОМ. В этом случае привод клапанов осуществляется непосредственно мощными быстродействующими электромагнитами (БМВ) или с использованием гидропривода (ФИАТ).

В первом случае клапанами управляет распределительный вал, вращающийся вдвое медленнее коленчатого вала. Распределительный вал имеет несколько кулачков, каждый из которых управляет одним впускным или выхлопным клапаном. От распредвалов часто приводятся дополнительные сервисные устройства двигателя — масляные, топливные насосы, распределитель зажигания, ТНВД, иногда — механические нагнетатели и др.

В разных двигателях используются один или несколько распределительных валов, расположенных возле коленвала, над рядом цилиндров или даже над каждым рядом клапанов. Привод распредвалов осуществляется от коленвала либо распределительными шестернями, либо пластинчато-роликовой цепью, либо зубчатым ремнем. В некоторых старых конструкциях использовались валики с коническими шестернями (В-2). В любом случае валы синхронизированы с частотами вращения 1 : 2.

В любом случае вал, расположенный рядом с коленчатым, называется нижним, в головке над или рядом с клапанами — верхним. Клапаны по расположению относительно камеры сгорания также могут быть верхними — расположенными над донышком поршня, или нижними — расположены рядом с цилиндрами сбоку. Нижние клапаны приводятся от нижнего вала через короткие стаканообразные толкатели. Привод верхних клапанов от нижнего вала осуществляется, как правило, штанговым механизмом, от верхнего либо через рокеры (коромысла), либо через стаканообразные толкатели. Во многих двигателях используются гидравлические толкатели, автоматически выбирающие зазоры в клапанных парах и делающие механизм газораспределения необслуживаемым.

Клапан представляет собой стержень с тарелкой, выполненной из жаростойких материалов. Стержень клапана совершает возвратно-поступательные движения в направляющей втулке, тарелка коническим герметизирующим пояском ложится на клапанное седло, также выполняемое из жаростойких материалов. И седло, и направляющая втулка являются контактными поверхностями, через которые осуществляется охлаждение клапана. Особено важно это положение для выхлопных клапанов, которые постоянно работают в потоках горячих газов (а при неправильной установке зажигания или момента впрыска — в потоке пламени) и нуждаются в интенсивном теплоотводе. Поэтому для улучшения охлаждения внутри стержня клапана может располагаться полость с теплопроводным материалом — с натрием, с медью. А сами контактирующие поверхности должны быть гладкими и иметь минимально возможные зазоры. Многие клапаны имеют механизмы поворота, обеспечивающие принудительное вращение вокруг продольной оси в процессе работы.

Открытие клапана осуществляет соответствующий кулачок, закрытие — либо возвратна клапанная пружина/пружины, либо особый десмодромный механизм (Даймлер-Бенц), позволяющий из-за отсутствия пружин достичь очень высоких скоростей перемещения клапанов и, соответственно, существенно поднять обороты двигателя без существенного повышения усилий в механизме распределения. Дело в том, что чем слабее клапанная пружина, тем медленнее возврат клапана в седло. Уже при работе на относительно невысоких оборотах слабые пружины позволяют клапанам «зависать» и соприкасаться с поршнями (двигатели ВАЗ без внутреннего ряда клапанных пружин — на 5500-6000 об/мин). Чем сильнее клапанные пружины, тем большие напряжения испытывают детали ГРМ и тем более качественное масло должно использоваться для его смазки. Десмодромный механизм позволяет перемещать клапана с такой скоростью, которая ограничена только моментом их инерции, то есть, существенно более высокой, чем достижимые для клапанов скорости в реальных двигателях.

Электромагнитное или электрогидравлическое управление с микропроцессором, сверх этого, позволяет легко корректировать фазы газораспределения двигателя, добиваясь наивыгоднейшей характеристики распределения на каждом режиме.

Некоторые ранние модели двигателей («Харлей-Дэвидсон», «Пежо») имели впускные клапаны со слабыми пружинами, обеспечивавшими «автоматическое» открывание клапана после начала впуска под действием вакуума над поршнем.

Для коррекции фаз газораспределения в ГРМ с распредвалами используются разного рода дифференцирующие механизмы, их конструкция зависит от компоновки двигателя и ГРМ (которая во многом определяет компоновку всего ДВС).

Как работает система зажигания?

Система зажигания производит заряд высокого напряжения и передаёт его к свечам зажигания с помощью проводов зажигания. Заряд сначала проходит к катушке зажигания (эдакому дистрибьютору, который распределяет подачу искры по цилиндрам в определённое время), которую Вы можете легко найти под капотом большинства автомобилей. Катушка зажигания имеет один провод, идущий в центре и четыре, шесть, восемь проводов или больше в зависимости от количества цилиндров, которые выходят из него. Эти провода зажигания отправляют заряд к каждой свече зажигания. Двигатель получает такую искру по времени таким образом, что только один цилиндр получает искру от распределителя в один момент времени. Такой подход обеспечивает максимальную гладкость работы двигателя.

Эксплуатационные показатели в сравнении

Сопоставляя двухтактный двигатель и четырехтактный двигатель, разницу между ними можно заметить не только в устройстве, но и в эксплуатационных характеристиках. Сравнивать их можно по следующим показателям:

• литровая мощность;
• удельная мощность;
• экономичность;
• экологичность;
• шумность;
• ресурс работы;
• простота обслуживания;
• вес;
• цена.

Литровой называется мощность, снимаемая с литра объёма цилиндра. Теоретически она должна быть в два раза больше у двухтактного. Однако на деле этот показатель составляет 1,5−1,8. Сказывается неполное использование рабочего хода газов, затраты энергии на продувку, неполное сгорание и потери топлива.

Удельная мощность представляет собой величину отношения мощности мотора к его весу. Она также выше у двухтактных. Для них нужен менее тяжёлый маховик и не нужны дополнительные системы (газораспределения и смазки), утяжеляющие конструкцию. КПД у них также выше.

Экономичность (расход топлива на единицу мощности) выше у четырехтактных. Двигатели с двумя тактами часть топлива теряют впустую при продувке цилиндра.

Экологичность двухтактных ниже, опять-таки из-за потери несгоревшего топлива и масла. Убедиться в этом можно на примере двухтактного лодочного мотора. Он всегда оставляет на воде тонкую плёнку из несгоревшего топлива.

Шумность выше у двухтактных. Это связано с тем, что выхлопные газы из цилиндра вырываются с большой скоростью.

Ресурс работы выше у четырехтактных. Отдельная система смазки и меньшая оборотистость двигателя положительно сказываются на сроке его службы.

Проще обслуживать, безусловно, двухтактные моторы из-за меньшего количества вспомогательных систем. Масса больше у четырехтактных. Двухтактные дешевле.

В некоторых механизмах применение двухтактных двигателей является однозначным. Это, например, бензопилы. Высокая удельная мощность, маленький вес и простота делают его здесь безусловным фаворитом.

Двухтактные двигатели используются также в мототехнике, лодочных моторах, газонокосилках, скутерах, авиамоделировании. В большинстве самодельных машин и механизмов умельцы также используют двухтактный мотор.

Баланс энергии

Двигатели Отто имеют термический КПД около 40 %, что с механическими потерями дает фактический КПД от 25 до 33%.

Современные двигатели могут иметь уменьшенный КПД для удовлетворения высоких экологических требований.

КПД ДВС можно повысить с помощью современных систем процессорного управления топливоподачей, зажиганием и фазами газораспределения. Степень сжатия современных двигателей, как правило, имеет значения, близкие к предельным (спорный момент, см. Цикл Миллера).

Однотактные и трехтактные силовые агрегаты

Существуют также одно- и трехтактные двигатели. Однотактные двигатели делают с внешней камерой сгорания. Такая схема реализует все четыре такта за один ход поршня. Трехтактный двигатель Ванкеля является роторно-поршневым. Из-за сложности конструкции и чрезвычайной требовательности к качеству обработки поверхностей такие моторы не получили широкого распространения.

Факторы, влияющие на мощность двигателя

Четырёхтактный цикл

1=верхняя мёртвая точка

2=нижняя мёртвая точка

A: такт впуска

B: такт сжатия

C: такт рабочего хода

D: такт выпуска

Мощность поршневого двигателя зависит от объёма цилиндров, объёмным КПД, потерь энергии — газодинамических, тепловых и механических, степени сжатия топливо-воздушной смеси, содержания кислорода в воздухе и частоты вращения. Мощность двигателя зависит также от пропускной способности тактов всасывания и выхлопа, а значит, от их проходных сечений, длины и конфигурации каналов, а также от диаметров клапанов, больше впускных. Это справедливо для любых поршневых двигателей. Максимальная мощность ДВС достигается при наивысшем наполнении цилиндров. Частота вращения коленвала в конечном счёте ограничена прочностью материалов и свойствами смазки. Клапана, поршни и коленчатые валы испытывают больши́е динамические нагрузки. На высоких оборотах двигателя могут происходить физические повреждения поршневых колец, механический контакт клапанов с поршнями, что приводит к разрушению двигателя. Поршневые кольца вертикально колеблются в канавках поршней. Эти колебания ухудшают уплотнение между поршнем и гильзой, что приводит к потере компрессии, падении мощности и КПД в целом. Если коленвал вращается слишком быстро, клапанные пружины не успевают достаточно быстро закрывать клапана. Это может привести к контакту поршней с клапанами и вызывать серьёзные повреждения, поэтому на скоростных спортивных двигателях используют привод клапанов без возвратных пружин. Так, «Даймлер-Бенц» серийно выпускает моторы с десмодромным управлением клапанами (с двойными кулачками, один открывает клапан, другой прижимает его к седлу), БМВ использует электромагнитное управление клапанами. На высоких скоростях ухудшаются условия работы смазки во всех парах трения.

Совокупно с потерями на преодоление инерции возвратно-поступательно движущихся элементов ЦПГ, это ограничивает среднюю скорость поршней большинства серийных двигателей 10 м/с.

Применение

Четырёхтактные двигатели могут быть как бензиновыми, так и дизельными. Они находят самое широкое применение в качестве первичных двигателей на стационарных и транспортных энергоустановках.

Как правило, четырёхтактные двигатели используются в тех случаях, когда имеется возможность более или менее широко варьировать соотношение оборотов вала со снимаемой мощностью и крутящим моментом либо тогда, когда это соотношение не играет роли при работе машины. Например, двигатель, нагруженный электрогенератором, в принципе может иметь любую рабочую характеристику и согласуется с нагрузкой только по рабочему диапазону оборотов, которые в принципе могут быть любыми, приемлемыми для генератора. Использование промежуточных передач вообще делает четырёхтактный двигатель более адаптированным к нагрузкам в самых широких пределах. Они же являются более предпочтительными в тех случаях, когда установка длительное время работает вне установившегося режима — благодаря более совершенной газодинамике их работа в переходных режимах и режимах со снятием частичной мощности оказывается более устойчивой.

При работе на вал в заданном диапазоне оборотов, особенно тихоходный (гребной вал теплохода), предпочтительнее использование двухтактных двигателей, как имеющих более выгодные массово-мощностные характеристики на низких оборотах.

Система выпуска отработавших газов

Теперь, когда мы знаем о ряде вещей, которые мы положили (налили) в свой ​​автомобиль, давайте посмотрим на другие вещи, которые выходят из него. Система выпуска включает в себя выхлопную трубу и глушитель. Без глушителя Вы бы услышали звук тысяч маленьких взрывов из своей ​​выхлопной трубы. Глушитель гасит звук. Выхлопная система также включает в себя каталитический нейтрализатор, который использует катализатор и кислород, чтобы сжечь всё неиспользованное топливо и некоторые другие химические веществ в выхлопных газах. Таким образом, Ваш автомобиль соответствует определённым евростандартам по уровню загрязнения воздуха.

Что ещё есть, кроме всего вышеперечисленного в автомобиле? Электрическая система состоит из аккумулятора и генератора. Генератор подключен к двигателю ремнём и вырабатывает электроэнергию для зарядки аккумулятора. Аккумулятор выдаёт 12-вольтовый заряд электрической энергии, доступной ко всему в машине, нуждающемуся в электроэнергии (системе зажигания, магнитоле, фарам, стеклоочистителям, электрическим стеклоподъемникам, приводу сидений, бортовому компьютеру и ещё множеству устройств) посредством проводки автомобиля.

Теперь можно сказать, что Вы знаете всё об основах главных подсистем двигателей!

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...

Читайте также:

Купе BMW M2 продемонстрируют уже через д... Бренд Chevrolet отзовет из России более... Стартовали продажи Chevrolet Monza 2019... Что такое незамерзайка и как ее использо...