Принцип работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

Принцип работы четырехтактного двигателя

Четырехтактный двигатель представляет собой поршневой мотор внутреннего сгорания. Рабочий процесс всех цилиндров в этих агрегатах занимает 2 кругооборота коленчатого вала или четыре поршневых такта. С середины ХХ века 4 тактный двигатель — самый распространенный вид поршневых моторов.

• Принцип работы и основная характеристика
• История
• Особенности работы 4-х тактного двигателя
• Конструкция агрегата
• Работа двигателя
• Конструктивные и эксплуатационные отличия четырехтактных двухтактных бензиновых двигателей

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.

История

Приблизительно в 1854—1857 годах итальянцами Феличче Матоци и Евгением Барсанти было создано устройство, которое по имеющимся сегодня сведениям было похоже на четырехтактный мотор. Изобретение итальянцев было утеряно и только в 1861 году. Алфоном де Роше был запатентован двигатель такого типа.

Впервые пригодный к работе четырехтактный мотор создал немецкий инженер Николаус Отто. В его честь был назван четырехтактный цикл работы циклом Отто, а 4-тактный мотор, применяющий свечи зажигания, называют двигателем Отто.

Особенности работы 4-х тактного двигателя

В двухтактном моторе смазывание поршневых и цилиндровых пальцев, коленвала, поршня, подшипника и компрессорных колец проводят, заливая масло в бензин. Коленчатый вал 4тактного мотора располагается в масляной ванне, что является существенным отличием. Именно поэтому отсутствует необходимость смешивать топливо и добавлять масло. Все, что необходимо сделать владельцу автомобиля — наполнить бензином топливный бак.

Автовладельцу, таким образом, незачем приобретать специальное масло, без которого не может функционировать двухтактный мотор. Кроме того, при наличии четырехтактного мотора на поршневом зеркале и на стенах глушителя уменьшается количество нагара. Еще одно важное отличие — в двухтактном моторе в выхлопную трубу выплескивается горючая смесь, что обусловлено его устройством.

Следует признать, что у четырехтактных двигателей также имеются небольшие недостатки. Например, у них не особо качественными являются рабочие моменты по регулированию теплового клапанного зазора.

Конструкция агрегата

Распредвал четырехтактного мотора размещается в крышке цилиндра. Он приводится в действие ведущим колесом, вмонтированном в коленчатый вал. Распределительный вал открывает и закрывает один из клапанов: выпускной или впускной, в зависимости от расположения поршня. На распределительном вале также расположены кулачки, которые приводят в действие клапанные коромысла.

Коромысла после срабатывания, начинают воздействовать на определенный клапан и открывают его. Важно, что между регулировочным винтом и клапаном должен быть тепловой зазор (узкий промежуток). При нагреве металл расширяется, поэтому, если зазор слишком маленький или его нет вообще, клапаны не могут закрыть полностью каналы выпуска и впуска.

У клапана впуска зазор должен быть меньше, чем у клапана выпуска, потому как газы выхлопа горячее, чем смесь. Соответственно клапан впуска нагревается меньше, чем клапаны выпуска.

Работа двигателя

Как уже было отмечено работа четырехтактного мотора состоит из четырех тактов поршня или из двух оборотов коленвала.

1. Впуск. Поршень движется в нижнюю сторону, открывая клапан впуска. Из карбюратора горючая смесь поступает в цилиндр. Когда поршень достигает нижнего положения, клапан впуска закрывается.
2. Сжатие. Поршень движется вверх, провоцируя сживание горючей смеси. Когда он приближается к верхней точке, сжатый бензин возгорается.
3. Расширение. Бензин возгорается и сгорает. В результате чего происходит растяжение горючих газов, и поршень движется вниз. При этом два клапана оказываются закрытыми.
4. Выпуск. Коленчатый вал по инерции продолжает двигаться вокруг своей оси, а поршень движется вверх. Вместе с этим открывается клапан выпуска, и выхлопные газы поступают в трубу. При прохождении клапаном мертвой точки, клапан впуска закрывается.

Конструктивные и эксплуатационные отличия четырехтактных двухтактных бензиновых двигателей

Главное отличие четырехтактного двигателя от двухтактного обусловлено разными механизмами газообмена, а именно: удалением отработанных газов и подачей топливно-воздушной смеси в цилиндр.

Процессы заполнения цилиндра и его очистки в четырехтактном двигателе происходят с помощью газораспределительного специального механизма, который в определенное время открывает и закрывает рабочий цикл.

Очистка цилиндра и его заполнение в двухтактном двигателе выполняется в одно время с с расширением и сжатием при нахождении поршня поблизости мертвой нижней точки. В стенках цилиндра для этого имеется два отверстия: продувочное или впускное и выпускное. Через выпускное отверстие поступает топливная смесь, и выходят отработанные газы.

Основные отличия двухтактных и четырехтактных двигателей:

1. Литровая мощность. В четырехтактном двигателе на два оборота коленчатого вала приходится один рабочий ход. Поэтому теоретически двухтактный двигатель должен иметь литровую мощность вдвое больше, чем четырехтактный. Но на практике превышение составляет около 1,8 раза, благодаря использованию поршня при расширении хода, а также наличия худшего механизма освобождения цилиндра от отработанных газов и больших затрат на продувку части мощности.
2. Потребление топлива. Двухтактный двигатель превосходит четырехтактный в удельной и литровой мощности, но уступает в экономичности. Отработанные газы вытесняются воздушно — топливной смесью, которая поступает в цилиндр из шатунно-кривошипной камеры. Часть топливной смеси при этом поступает в выхлопные каналы и удаляется с отработанными газами.
3. У двухтактного и четырехтактного двигателей принцип смазки двигателя существенно отличается. Двухтактные модели характеризуются необходимостью смешивания бензина с моторным маслом в определенных пропорциях. Масляная воздушно-топливная смесь циркулирует в поршневой и кривошипной камерах, смазывая подшипники коленчатого вала и шатуна. Мельчайшие капли масла при возгорании топливной смеси сгорают вместе с бензином. Продукты сгорания уходят вместе с отработанными газами.

Смешивают бензин с маслом двумя способами. Это может быть простое перемешивание, которое проводится перед тем, как залить в бак топливо и раздельная передача. Во втором случае масляно-топливная смесь образуется во впускном патрубке, расположенном между цилиндром и карбюратором.

Двигатель в последнем случае оснащен масляным бачком с трубопроводом, соединенным с плунжерным насосом. Насос подает масло во впускной патрубок в том количестве, которое необходимо. Производительность насоса зависит от того, как расположена ручка подачи «газа». Поступление масла тем больше, чем больше подается топливо. Более совершенной является раздельная система смазки двухтактного двигателя. Отношение бензина к маслу при ней может достигать 200:1. Это приводит к снижению расхода масла и к уменьшению дымности. Такую систему используют, например, на современных скутерах.

В четырехтактных двигателях бензин с маслом не смешивают, а подают отдельно, для чего двигатели имеют классическую систему смазки, которая состоит из фильтра, масляного насоса, трубопроводной магистрали и клапанов. В качестве масляного бачка может выступать картер двигателя (смазка с «мокрым «картером) либо отдельный бачок («сухой» картер).

В первом случае насос всасывает из поддона масло, направляет его во входную полость, а затем по каналам -к деталям шатунно-кривошипной группы, к подшипникам коленвала и газораспределительному механизму.

В случае смазки с «сухим» картером масло заливают в бочок. Оттуда оно при помощи насоса попадает к трущимся поверхностям. Стекающую в картер часть масла откачивают дополнительным насосом и возвращают в бачок.

Для очищения масла от разных продуктов износа двигатель имеет фильтр. Кроме того при необходимости устанавливают охлаждающие фильтра, потому как температура масла в процессе работы может очень сильно подниматься.

Четырехтактный двигатель: устройство и порядок работы

История создания

В 18 веке многие изобретатели работали над созданием силовых агрегатов, способных заменить паровую машину. Появление устройств, топливо в которых сгорало бы не в топке, а прямо в цилиндре мотора стало возможным после того, как французский изобретатель Филипп Лебон в 1799 году открыл светильный газ. Через два года он же сконструировал газовый силовой агрегат, где газовоздушная смесь воспламенялась в цилиндре. Он имел 1 рабочий цилиндр двойного действия (камеры сгорания находились с двух сторон поршня, и рабочая смесь в них поджигалась поочередно). И только много лет спустя появился более совершенный двигатель четырехтактный, нашедший широкое применение во многих отраслях промышленности.

Впервые такой двигатель продемонстрировал немецкий инженер Август Отто в 1877 году. Произошло это после того, как бельгийский изобретатель Жан Этьен Ленуар предложил воспламенять горючую смесь с помощью электрической искры. Способствовало его появлению и изобретение устройства, позволяющего испарять жидкое топливо и обеспечивать подготовку рабочей газовоздушной смеси (карбюратор).

К серийному производству четырехтактных бензиновых двигателей приступили в 1883 году. Тогда немецкий инженер Готлиб Даймлер предложил для воспламенения газовоздушной смеси использовать раскаленные трубки, вставленные внутрь цилиндров.

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.

Конструкция

Сегодня 4-х тактные моторы более сложны по конструкции. Так, например:

• коленвал оснащают массивным маховиком, обеспечивающим за счет инерции плавное перемещение поршней;
• блок цилиндров оснащается газораспределительным механизмом;
• запуск мотора осуществляется с помощью стартера;
• беспроблемное функционирование всех узлов обеспечивается многочисленными вспомогательными устройствами (системы управления, смазки, впрыска топлива, охлаждения и пр.).

Где применяется

4-х тактные моторы применяются в нашей повседневной жизни очень широко. Их мощность напрямую зависит от объема и количества цилиндров.
Устанавливают ДВС в автомобилях и самолетах, тракторах и тепловозах. Применяются они также на судах морского и речного флота.

На 4-х тактные силовые агрегаты обратили внимание и энергетики. Используют их для питания стационарных и аварийных электрогенераторов, установленных в местах, где линии электропередач подвести невозможно или экономически нецелесообразно. Кроме того, такие генераторы устанавливают на объектах, где отключение подачи электроэнергии невозможно (больницы, банки, воинские части и пр.).

Четырехтактный двигатель, устройство и принцип работы

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.

Рабочий цикл карбюраторного двигателя:

— Такт сжатия
Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия. Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако, для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с большим октановым числом, которое дороже.
Такт расширения, или рабочий ход

Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы сгорание топлива успело, полностью закончится к моменту достижения поршнем НМТ, то есть для наиболее эффективной работы двигателя. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором, воздействующим на прерыватель). В современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику.

Гифка наглядно демонстрирует процесс работы четырехтактного двигателя

— Такт выпуска
После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет выхлопные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, и цикл начинается сначала.

Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемещается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью.

Коэффициент остаточных газов характеризует степень загрязнения свежего заряда отработавшими газами и представляет собой отношение массы продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре, к массе свежей горючей смеси. Для карбюраторных двигателей коэффициент остаточных газов находится в пределах 0,06-0,12.

По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными.

Рабочий цикл дизельного двигателя
Рабочие циклы четырёхтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно различаются по способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Основное отличие состоит в том, что в цилиндр дизеля при такте впуска поступает не горючая смесь, а воздух, который из–за большой степени сжатия нагревается до высокой температуры, а затем в него впрыскивается мелкораспыленное топливо, которое под действием высокой температуры воздуха самовоспламеняется.

Читайте также

В четырёхтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом.

Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива.

— Такт расширения, или рабочий ход
При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом высокого давления (ТНВД). Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Происходит рабочий ход.

— Такт выпуска
Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

На этом видео показана работа реального двигателя. Камера встроена в цилиндр блока.

Недостатки четырёхтактных двигателей:

Все холостые ходы (впуск, сжатие, выпуск) совершаются за счёт кинетической энергии, запасённой кривошипно-шатунным механизмом и связанными с ним деталями во время рабочего хода, в процессе которого химическая энергия топлива превращается в механическую энергию движущихся частей двигателя. Поскольку сгорание происходит в доли секунд, то оно сопровождается быстрым увеличением нагрузки на крышку (головку) цилиндра, поршень и другие детали двигателя внутреннего сгорания. Наличие такой нагрузки неизбежно приводит к необходимости увеличить массу движущихся деталей (для повышения прочности), что в свою очередь сопровождается ростом инерционных нагрузок на движущиеся детали.

Уступают по мощности двухтактным.

Преимущества четырёхтактных двигателей:

В отличие от двухтактного двигателя, в котором смазка коленвала, подшипников коленвала, компрессионных колец, поршня, пальца поршня и цилиндра осуществляется благодаря добавлению масла в топливо; коленвал четырехтактного двигателя находится в масляной ванне. Благодаря этому нет необходимости смешивать бензин с маслом или доливать масло в специальный бачок. Достаточно залить чистый бензин в топливный бак и можно ехать, при этом отпадает необходимость покупки специального масла для 2-тактных двигателей.

Так же на зеркале поршня и стенках глушителя и выхлопной трубы образуется значительно меньше нагара. К тому же, в 2-тактном двигателе происходит выброс топливной смеси в выхлопную трубу, что объясняется его конструкцией.

Что такое рабочий цикл двигателя

Процессы, протекающие в цилиндрах двигателя при его работе, повторяются циклично. Одним таким рабочим циклом считается совокупность тактов (впуск топливовоздушной смеси, сжатие, воспламенение и расширение газов, а также выпуск продуктов сгорания), обеспечивающая переход тепловой энергии, выделяемой при воспламенении одной порции смеси, непосредственно в работу. О том, что представляют собой рабочие циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания, пойдет речь далее.

1. Что такое мертвые точки и такты ДВС
2. Как работает четырехтактный двигатель
3. Особенности работы двухтактных моторов

Что такое мертвые точки и такты ДВС

Количество этапов, входящих в один рабочий цикл ДВС (двигателя внутреннего сгорания), принято считать исходя из числа ходов поршня в цилиндре. Такие этапы получили название такты двигателя. Непосредственно ход поршня определяется его перемещением из одной крайней точки в другую. Они получили наименование мертвые, поскольку если в такой точке произойдет остановка поршня, он не сможет начать движение без внешнего воздействия. Простыми словами мертвые точки – это позиции, при которых движение в текущем направлении поршня прекращается и он начинает обратный ход.

Мертвые точки и ход поршня ДВС

Существуют две мертвые точки:

• Нижняя (НМТ) – положение, при котором расстояние между поршнем и осью вращения коленвала минимально.
• Верхняя (ВМТ) – положение, при котором цилиндр находится на максимальном удалении от оси вращения коленвала двигателя.

В англоязычной документации ВМТ обозначается как TDC (Top Dead Centre), А НМТ – BDC (Bottom Dead Centre).

Существуют двигатели, рабочий цикл которых может состоять из двух, а также из четырех тактов. Исходя из этого их разделяют на двухтактные и четырехтактные моторы.

Как работает четырехтактный двигатель

Конструктивно рабочий цикл типового четырехтактного агрегата обеспечивается работой следующих элементов:

• цилиндр;
• поршень – выполняет возвратно-поступательные движения внутри цилиндра;
• клапан впуска – управляет процессом подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания;
• клапан выпуска – управляет процессом выброса отработавших газов из цилиндра;
• свеча зажигания – осуществляет воспламенение образовавшейся топливовоздушной смеси;
• коленчатый вал;
• распределительный вал – управляет открытием и закрытием клапанов;
• ременной или цепной привод;
• кривошипно-шатунный механизм – переводит движение поршня во вращение коленчатого вала.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя

Рабочий цикл такого механизма состоит из четырех тактов, в ходе которых реализуются следующие процессы:

1. Впуск (нагнетание топлива и воздуха). В начале цикла поршень находится в ВМТ. В момент, когда коленвал начинает вращаться, он воздействует на поршень и переводит его в НМТ. Это приводит к образованию разрежения в камере цилиндра. Распредвал воздействует на клапан впуска, постепенно открывая его. Когда поршень оказывается в крайнем положении клапан полностью открыт, в результате чего происходит интенсивное нагнетание топлива и воздуха в камеру цилиндра.
2. Сжатие (увеличение давления горючей смеси). На втором этапе поршень начинает обратное перемещение к верхней мертвой точке такта сжатия. Коленвал совершает еще один поворот, а оба клапана полностью закрыты. Внутреннее давление увеличивается до величины 1,8 МПа и повышается температура горючей смеси до 600 С°.
3. Расширение (рабочий ход). При достижении верхней позиции поршнем в камере сгорания устанавливается максимальная компрессия до 5 МПа и срабатывает свеча зажигания. Это приводит к возгоранию смеси и увеличению температуры до 2500 С°. Давление и температура приводят к интенсивному воздействию на поршень, и он начинает вновь перемещаться к НМТ. Коленвал совершает еще поворот, и таким образом, тепловая энергия переходит в полезную работу. Распредвал открывает выпускной клапан, и при достижении поршнем НМТ он полностью раскрыт. В результате отработавшие газы начинают постепенно выходить из камеры, а давление и температура снижаются.
4. Выпуск (удаление отработавших газов). Коленвал двигателя поворачивается, и поршень начинает движение в верхнюю точку. Это приводит к выталкиванию отработавших газов и еще большему снижению температуры и уменьшению давления до 0,1 МПа. Далее, начинается новый цикл, в ходе которого указанные процессы вновь повторяются.

В ходе каждого такта коленчатый вал двигателя совершает поворот на 180°. За полный рабочий цикл коленвал поворачивается на 720°.

Четырехтактный двигатель получил широкое распространение. Он может работать как с бензином, так и с дизельным топливом. Отличием рабочего цикла для дизеля является то, что воспламенение топливовоздушной смеси происходит не от искры, а от высокого давления и температуры в конечной точке такта сжатия.

Особенности работы двухтактных моторов

Основой того, чем отличается двухтактный двигатель от четырехтактного, можно назвать тот факт, что в первом за один рабочий цикл коленвал совершает два оборота, а во втором весь рабочий цикл укладывается в один оборот коленвала (360°). Поршень при этом совершает лишь два хода. Процессы, происходящие в камере сгорания в течение рабочего цикла у двухтактного мотора, не отличаются от четырехтактных, но впуск горючей смеси и выпуск отработавших газов выполняются одновременно с тактами сжатия и расширения.

Процесс одновременного удаления отработавших газов и нагнетания в цилиндр свежего заряда, происходящий в двухтактном двигателе, получил название продувка.

Принцип работы простейшего двухтактного двигателя заключается в следующем:

1. Такт сжатия. В начале цикла поршень находится в НМТ и движется в положение ВМТ такта сжатия. При этом происходит перекрытие окна продувки (впуска), а затем канала выпуска. В момент, когда поршень закрывает окно выпуска, начинается сжатие горючей смеси, и в пространстве под поршнем возникает разрежение. Это обеспечивает нагнетание топлива в камеру через приоткрытый клапан впуска.
2. Такт расширения (рабочего хода). Когда поршень приближается к ВМТ, происходит срабатывание свечи зажигания, и горючая смесь воспламеняется. Это провоцирует резкое повышение давления и температуры, в результате чего поршень начинает движение вниз. Таким образом, газы совершают полезную работу, а поршень при движении к НМТ увеличивает компрессию топливовоздушной смеси. С ростом давления клапан начинает закрываться и препятствует попаданию горючей смеси во впускной коллектор. При достижении поршнем выпускного окна, происходит открытие последнего, и отработавшие газы удаляются в систему выхлопа. Давление в камере снижается, а дальнейшее движение поршня открывает канал продувки и топливовоздушная смесь подается в камеру, вытесняя отработавшие газы.

В зависимости от того, как реализована система продувки в устройстве двухтактного двигателя, их разделяют на разные типы:

• С контурной кривошипно-камерной продувкой. Горючая смесь подается в камеру цилиндра напрямую из картера двигателя. При этом она всасывается в момент движения поршня к ВМТ, а при движении поршня к НМТ обеспечивается продувка за счет избыточного давления.
• С клапанно-щелевой продувкой. Применяется для одноцилиндровых двигателей. Газораспределение реализуется путем перекрытия окон, выполненных в стенке цилиндра.
• С прямоточной продувкой. В такой конструкции впуск выполняется через специальные продувочные окна, выполненные по окружности цилиндра в его нижней части. В свою очередь, выпуск реализуется через выхлопной клапан.
• С использованием продувочных насосов. Применяется на многоцилиндровых двухтактных двигателях. При этом воздух для продувки сжимается специальным компрессором.

В отличие от четырехтактного, двухтактный двигатель не имеет системы газораспределения. Не требуют такие конструкции и организации сложной системы смазки. С другой стороны, четырехтактные моторы более экономичны по расходу топлива, а также меньше подвержены вибрации и обеспечивают более чистый выхлоп.

Четырехтактный двигатель

Четырехтактный двигатель – самый распространенный тип ДВС современного легкового автомобиля
Двигатель внутреннего сгорания должен был стать альтернативой промышленной паровой машины, но изобретатели-энтузиасты сразу почувствовали его потенциал. Им удалось найти способ увеличить мощность двигателя, не увеличивая его массу. Ключевую роль в этом сыграл Николаус Отто, создавший первый в истории четырехтактный двигатель.

История разработки двигателя Отто

Мотор, разработанный изобретателем Альфонсом Бо де Роша и воплощенный в металле немцем Николаусом Отто в 1867 году, по тем временам был верхом совершенства. Он был дешев в эксплуатации, компактен и не требовал постоянного контроля. Двигатель работал по особому алгоритму, широко известному в наши дни как «цикл Отто». В 1875 году компания Отто производила боле 600 двигателей в год.
Именно Готлиб Даймлер и его товарищи-инженеры привлекли внимание Николауса Отто к преимуществам четырехтактного двигателя
В команде Отто работал талантливый инженер по имени Готлиб Даймлер, загоревшийся идеей постройки автомобиля. Николаус Отто не считал нужным улучшать имевшийся двигатель, и Даймлеру, понявшему, как можно использовать мотор в конструкции автомобиля, пришлось уйти. Вместе с единомышленником по имени Карл Бенц, в 1889 году Даймлеру удалось создать первый автомобиль с бензиновым четырехтактным двигателем внутреннего сгорания, работающим по циклу Отто.

Что такое «такты» двигателя

Четырехтактный двигатель отличается от двухтактного тем, что газораспределение имеет отдельные фазы впуска и выпуска. Ими заведуют расположенные в головке блока цилиндров впускной и выпускной клапаны соответственно. Они открываются при помощи распредвала, приводимого в действие от коленчатого вала двигателя.

Первый такт называется «впуск». В этот момент поршень начинает двигаться вниз из верхней мертвой точки, создавая разряжение. В это же время открывается впускной клапан, и топливовоздушная смесь засасывается в цилиндр. Когда поршень доходит до нижней мертвой точки, клапан закрывается, и фаза впуска завершается.

Впрыск топлива одной порцией в строго определенный момент на современной стадии развития четырехтактных двигателей перестал быть догмой
Второй такт называется «сжатие». Поршень начинает движение вверх, оба клапана закрыты. В этот момент топливовоздушная смесь сжимается, при этом нагреваясь. Это необходимо для более полного и эффективного сгорания топлива.

Третий такт – «рабочий ход». Немного не доходя до верхней мертвой точки, при помощи искры от свечи зажигания (или за счет сжатия, если речь идет о дизельном двигателе) происходит воспламенение топливовоздушной смеси. В этот момент газы резко расширяются, толкая поршень вниз, тем самым совершая полезную работу.

Четвертый такт называется «выпуск». Когда поршень совершил рабочий ход и находится в нижней мертвой точке, и необходимо удалить отработавшие газы из цилиндра, открывается выпускной клапан. Через него поршнем, начинающим движение вверх, выталкиваются отработавшие газы.

Порядок работы дизельного двигателя отличается лишь тем, что на такте сжатия в цилиндр поступает только воздух, а топливо впрыскивается в камеру сгорания в конце такта сжатия при помощи форсунки.

Новые механизмы — старый принцип

С момента изобретения и до наших дней инженеры постоянно совершенствовали четырехтактный двигатель. Большинство нововведений приходились на долю газораспределительного механизма. Например, если раньше на цилиндр приходилось всего два клапана, то на современных моторах их число доходит до пяти. Кроме того, многие производители используют системы изменения фаз газораспределения. Самые известные — это VVT-i от Toyota и Valvetronic от BMW. Система изменяемых фаз позволяет менять время и высоту подъема клапанов в зависимости от режимов работы двигателя.
Спустя 150 лет принцип, названный циклом Отто, остается актуальным. Физики утверждают, что для дальнейшего прогресса необходим новый вид топлива
Изменилась и система питания. Практически на всех современных моторах карбюратор уступил место распределенному впрыску топлива. Зажиганием, дозировкой и подачей горючего теперь заведует электроника.

Для лучшего наполнения цилиндров все чаще применяется наддув поступающего воздуха. Увеличение плотности воздуха в цилиндре позволяет получить мощный мотор при сравнительно небольшом объеме двигателя и уменьшить расход топлива. Например, двигатель 1,4 TFSI от Volkswagen с двойным турбонаддувом «выдает» 185 л.с.

В последние два десятилетия небывалую популярность получили дизельные автомобили. Если раньше моторы на тяжелом топливе были прерогативой исключительно грузовиков и автобусов, то сейчас более 50% продающихся в Европе легковушек ездят на «солярке». Дизели экономичнее своих бензиновых собратьев и при равных объемах двигателя имеют гораздо больший крутящий момент и наделяют автомобиль приличной динамикой. На сегодняшний день практически все дизельные двигатели имеют турбонаддув.

Достоинства и недостатки четырехтактных двигателей

Самый главный плюс двигателей, работающих по циклу Отто – экономичность. Кроме того, четырехтактные двигатели относительно бесшумны, а использование каталитических нейтрализаторов делает их еще и наболее экологичными.

Неоспоримым преимуществом является надежность четырехтактных моторов. Ресурс легковых двигателей доходит до полумиллиона километров, и это еще не предел.

Недостатки современных моторов кроются в их сложном техническом устройстве. Они дороги в производстве, а в эксплуатации весьма требовательны к качеству топлива и масла. Ремонт своими силами в полевых условиях, без специального инструмента и навыков, практически невозможен.

Эксплуатация четырехтактных двигателей

В первую очередь следует тщательнее выбирать АЗС. Топливные системы, в особенности дизельных автомобилей, плохо «переваривают» некачественное топливо. Более того, всего одна заправка «левым» горючим может вывести из строя катализатор. А его замена может вылиться в «копеечку».

Развитие микропроцессорного управления процессами, происходящими в четырехтактном двигателе, привело к тому, что вмешательство человека не требуется годами
Большинство неисправностей современных двигателей не связаны непосредственно с механическими деталями. Неисправности, как правило, возникают в «слабых местах», в системе подачи воздуха или в электрооборудовании. По причине сложности и развития микропроцессорных систем управления, выявить поломку без подключения диагностического компьютера выяснить причину неисправности практически невозможно.

Двигатель — основная и самая дорогая часть автомобиля. Поэтому в случае поломки ремонт лучше доверить сервисному центру, избегая «гаражных» специалистов.

Устройство и принцип работы четырехтактного двигателя

Знать, как работает четырехтактный двигатель полезно каждому автомобилисту: чем понятнее устройство транспортного средства, тем проще поддерживать его исправное техническое состояние.

История и принцип работы четырехтактного ДВС

Тактом при работе ДВС называется один ход поршня (вверх или вниз), таким образом 4 тактный двигатель — это мотор, который совершает один рабочий цикл за четыре такта (два полных хода поршня). Четырехтактными могут быть не только автомобильные, но и лодочные моторы, а также силовые агрегаты мопедов, мотоциклов, квадроциклов или мотоблоков.

p, blockquote 3,0,0,0,0 —>

История создания ДВС

Официально принцип работы четырехтактного двигателя был запатентован в 1861 году французским инженером Алфоном де Роше. Ранее, примерно в 1854 году два итальянских специалиста — Феличе Матоцци и Евгенио Барсанти создали похожую конструкцию, но данные об этом моторе были утеряны.

p, blockquote 5,0,0,0,0 —>

Первый четырехтактный силовой агрегат, который мог использоваться на практике, сконструировал немецкий изобретатель Николас Отто. С тех пор 4-тактный мотор, в котором топливная смесь воспламеняется от свечей зажигания, называется также двигателем Отто.

Схема двигателя Отто p, blockquote 6,0,1,0,0 —>

Спустя 8 лет после выхода первого прототипа фирма Отто производила уже около 600 четырехтактных моторов в год.

Как четырехтактные двигатели попали в автомобилестроение

Инженер Готлиб Даймлер, который трудился в компании Отто, первым понял потенциал изобретения своего шефа для частного транспорта, и предложил на создать на базе конструкции автомобиль. Отто не был впечатлен идеями подчиненного: Даймер в 1880 году был уволен вместе со своим другом — конструктором Вильгельмом Майбахом и открыл свою компанию.

p, blockquote 8,0,0,0,0 —>

В 1886 году независимо друг от друга компания Daimler и другой немецкий инженер Карл Бенц представили обществу модели самоходного автомобиля, основанные на ДВС Отто, на принципе которого функционирует и большинство современных машин, кроме электрокаров.

Грузовик Daimler-Motoren-Gesellschaft, 1896 год. p, blockquote 9,0,0,0,0 —>

С 1895 года автомобили Daimler-Motoren-Gesellschaft начали продавать и в России.

Отличие четырехтактного мотора от двухтактного

В двухтактном моторе один рабочий цикл происходит за два движения поршня, позволяя в теории получать в 1,5 раза большую мощность. Но на практике он оказывается менее экономичным, так как не имеет отдельных циклов выпуска и впуска, и часть топлива теряется, смешиваясь с отработкой. К тому же, такой движок не оснащен системой смазки и жидкостного охлаждения, поэтому он производит больше шума и быстрее перегревается при высоких нагрузках.

p, blockquote 11,0,0,0,0 —>

Ответ на вопрос какой мотор лучше: двух- или четырехтактный зависит от области применения устройства. Если требуется небольшой и легкий силовой агрегат, то лучший выбор — двухтактный движок. Для механизмов, у которых мощность, бесшумность и экономичность важнее габаритов и простоты обслуживания идеально подходит конструкция на четыре такта.

Как устроен и работает четырехтактный движок

Работа 4 тактного двигателя позволяет вращать коленчатый вал, который через кривошипно-шатунный механизм передает движение на колесный привод транспортного средства. Простейшая одноцилиндровая конструкция состоит из:

• металлического корпуса, состоящего из крышки и блока цилиндров;
• цилиндра, внутри которого вверх и вниз перемещается поршень;
• впускного и выпускного клапанов, подающих в камеру сгорания топливную смесь и отводящих отработанные газы;
• поршня, который сжимает топливную смесь, провоцируя воспламенение, а также проворачивает маховик коленчатого вала и, соответственно, колеса транспортного средства;
• свечи зажигания, подающей в цилиндр искру, поджигающую горючую смесь (на бензиновых моделях);
• системы подачи масла внутрь силового агрегата для смазки и охлаждения движущихся частей;
• контура жидкостного охлаждения, отводящего излишнее от мотора излишнее тепло.

Одноцилиндровый четырехтактный ДВС в разрезе. p, blockquote 13,1,0,0,0 —>

Противовес коленчатого вала необходим для устранения биений из-за неравномерного распределения импульса, который возникает вследствие того, что воспламенение происходит не каждый, а через один оборот коленвала.

Как работает четырехтактный двигатель:

1. Впуск (от 0 до 180 о проворота кривошипа): поршень опускается до нижней мертвой точки (НМТ), одновременно с этим открывается впускное отверстие и в движок поступает смесь топлива и кислорода.
2. Сжатие (от 180 до 360 о ): поршень поднимается до верхней мертвой точки (ВМТ), сжимая находящуюся внутри топливную смесь.
3. Рабочий ход (от 360 до 540 о ): топливо внутри цилиндра воспламеняется от свечи зажигания (либо от температуры — на дизелях) и поршень силой получившегося взрыва снова отбрасывается вниз. Третий такт называется рабочим, потому что именно в нем поршень совершает полезную работу, передавая коленвалу, и далее — на колесный привод крутящий момент (остальные такты ДВС происходят, наоборот, за счет движения кривошипно-шатунного механизма, поэтому фактический КПД движка такого типа составляет около 40%).
4. Выпуск (от 540 до 720 о проворота кривошипа): в это время открывается выпускное отверстие, и поршень снова поднимается до ВМТ, выталкивая отработанные газы в выхлопную систему.

Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя. p, blockquote 15,0,0,0,0 —>

Степень сжатия силового агрегата и его компрессия — это не одно и то же. Первое значение — это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания, а второе — степень сжатия, умноженная на коэффициент (1,2 — для бензина или 1,7–2,0 — для дизеля).

В чем особенность дизельных силовых агрегатов

Все ДВС можно поделить на две группы по принципу смесеобразования:

1. Бензиновые (карбюраторные или инжекторные) и газовые — в которых топливо смешивается с воздухом до попадания в цилиндр.
2. Дизельные — топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания.

p, blockquote 17,0,0,0,0 —>

Рабочий цикл четырехтактного двигателя на дизельных силовых агрегатах немного отличен от бензиновых. В камерах сгорания находится кислород, который нагрет до температуры, достаточной для воспламенения топлива. Перед тем, как поршень дойдет до верхней мертвой точки, в цилиндр впрыскивается жидкое дизтопливо, которое форсунки распыляют до мелких капель для более быстрой реакции с нагретым воздухом.

4 такта двигателя внутреннего сгорания на дизеле. p, blockquote 18,0,0,0,0 —>

Мощные дизельные силовые агрегаты могут иметь несколько форсунок на один цилиндр.

Многоцилиндровые модели

Чем больше цилиндров имеет четырехтактный двигатель, тем больше суммарный объем камер сгорания, поэтому силовые агрегаты на автомобилях оснащают несколькими цилиндрами. Чаще всего это число бывает четным, для обеспечения баланса установки, но встречаются и трехцилиндровые модели.

p, blockquote 20,0,0,1,0 —>

Классификация многоцилиндровых автомобильных моторов:

• Рядный — на одном коленчатом вале параллельно друг другу;
• V-образный — два ряда цилиндров на коленвале, расположенные под углом;
• VR-образный — аналогичен предыдущему, но имеет меньший угол развала (около 15 о ).

Рядный ДВС в разрезе. p, blockquote 21,0,0,0,0 —>

Чтобы многоцилиндровый движок работал равномерно, такты различных цилиндров должны чередоваться в определенной последовательности и через равные промежутки времени. Примерный порядок работы четырехцилиндрового ДВС:

p, blockquote 22,0,0,0,0 —>

p, blockquote 23,0,0,0,0 —>

Таблица дана для примера. Порядок работы цилиндров индивидуален для каждой модели силового агрегата, точные цифры можно найти в документации на автомобиль.

От чего зависит мощность четырехтактного мотора

Основные параметры, оказывающие влияние на мощность силового агрегата, это:

• суммарный объем цилиндров;
• частота вращения коленчатого вала;
• пропускная способность впускных и выпускных отверстий;
• уровень сжатия топливной смеси.

p, blockquote 25,0,0,0,0 —>

Мощность возрастает также и при максимальном наполнении цилиндров, поэтому были изобретены турбины, дополнительно подкачивающие кислород в камеру сгорания.

Вспомогательные системы

Поскольку 4-тактный движок сложнее 2-тактного, для нормального функционирования он нуждается во вспомогательных системах:

• Газораспределение — регулирует подачу топливной смеси и вывод отработанных газов при помощи впускных и выпускных клапанов.
• Смазка — подает в мотор масло, которое уменьшает силу трения механических деталей, охлаждает механизм и выводит продукты сгорания.
• Топливоподача — система подачи горючего из бензобака в цилиндры. На старых бензиновых моделях создание топливной смеси происходит в карбюраторе, а на инжекторных движках топливо впрыскивается напрямую через форсунки.
• Зажигание (на бензиновых агрегатах) — система поочередно подает ток с трамблера на каждую свечу зажигания, а оттуда — в камеры сгорания. На некоторых моделях авто (например, ВАЗ 2106) для повышения напряжения, подаваемого на свечи, на трамблере установлен конденсатор.
• Охлаждение — дополнительный водяной контур, отводящий от мотора излишнее тепло.
• Выхлопная система — очищает отработанные газы и выводит их в атмосферу.

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания М57 от BMW. p, blockquote 27,0,0,0,1 —>

От правильного давления внутри смазочной системы зависит качество работы и ресурс мотора, поэтому рекомендуется не только полагаться на индикатор давления масла в салоне, но и периодически проводить ручное измерение при помощи манометра.