Такт работы двигателя

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

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.

Лекция 2

2.1 Принцип преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала.

2.2 Понятия и определения двигателя.

2.3 Рабочие циклы четырехтактных карбюраторных и дизельных двигателей.

2.4 Назначение кривошипно-шатунного механизма.

2.5 Неподвижные и подвижные группы деталей КШМ: блок цилиндров или блок-картер, головка (головки) блока цилиндров, цилиндры, шатунно-поршневая группа, коленчатый вал, подшипники, картер.

2.6 Установка и крепление двигателей на раме.

Содержание лекции

2.1 Принцип преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала

Двигатель внутреннего сгорания состоит из механизмов и систем, выполняющих различные функции. Рассмотрим устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания на примере одноцилиндрового бензинового ДВС с внешним смесеобразованием (рис. 2.1). В цилиндре 1 находится поршень с поршневыми кольцами, соединенный с коленчатым валом 11 шатуном 8.

При вращении коленчатого вала поршень совершает возвратно-поступательное движение. Одновременно с коленчатым валом вращается распределительный вал, который через промежуточные детали (толкатель, штангу и коромысло) механизма газораспределения открывает или закрывает впускной и выпускной клапаны. Когда поршень опускается вниз, открывается впускной клапан, и в цилиндр поступает (за счет разрежения) горючая смесь (мелкораспыленное топливо и воздух), приготовленная в карбюраторе, которая при движении поршня вверх сжимается.

Рис. 2.1. Схема одноцилиндрового бензинового ДВС с внешним смесеобразованием:

1 – цилиндр (с картером в сборе); 2 – головка цилиндра; 3 – впускной клапан; 4 – свеча зажигания; 5 – выпускной клапан; 6 – поршень; 7 – поршневой палец; 8 – шатун; 9 – маховик; 10 – поддон; 11 – коленчатый вал

В работающем двигателе при появлении электрической искры между электродами свечи зажигания 4 смесь, сжатая в цилиндре, воспламеняется и сгорает. Вследствие этого образуются газы, имеющие высокую температуру и большое давление. Под давлением расширяющихся газов поршень опускается вниз и через шатун приводит во вращение коленчатый вал. Так преобразуется прямолинейное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. При открытии выпускного клапана и при движении поршня вверх из цилиндра удаляются отработавшие газы.

2.2 Понятия и определения двигателя

С работой двигателя связаны следующие параметры.

Верхняя мертвая точка (ВМТ) – крайнее верхнее положение поршня (рис. 2.2).

Нижняя мертвая точка (НМТ) – крайнее нижнее положение поршня.

Радиус кривошипа – расстояние от оси коренной шейки коленчатого вала до оси его шатунной шейки.

Ход поршня S – расстояние между крайними положениями поршня, равное удвоенному радиусу кривошипа коленчатого вала. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на угол 180° (пол-оборота).

Рис. 2.2. Основные положения кривошипно-шатунного механизма:

S – ход поршня; D – диаметр цилиндра; r – радиус кривошипа

Такт – часть рабочего цикла, происходящая за один ход поршня.

Объем камеры сгорания – объем пространства над поршнем при его положении в ВМТ (рис. 2.2).

Рабочий объем цилиндра – объем пространства, освобождаемого поршнем при перемещении его от ВМТ к НМТ.

Полный объем цилиндра – объем пространства над поршнем при нахождении его в НМТ. Очевидно, что полный объем Va цилиндра равен сумме рабочего объема Vh , цилиндра и объема Vc камеры сгорания, т. е. Va = Vh + Vc.

Литраж: двигателя (в л) для многоцилиндровых двигателей – это произведение рабочего объема Vh на число i цилиндров, т. е. Vл = Vh · i.

Степень сжатия ε – отношение полного объема Va цилиндра к объему Vc камеры сгорания, т.е.

Ход поршня S и диаметр D цилиндра обычно определяют размеры двигателя. Если отношение S/D < 1, то двигатель называют короткоходным. Большинство современных двигателей — короткоходные.

Степень сжатия показывает, во сколько раз уменьшается полный объем цилиндра двигателя при перемещении поршня из НМТ в ВМТ. Степень сжатия — величина безразмерная. В карбюраторных двигателях ε = 6,5…10, а в дизелях ε = 14…21. С увеличением степени сжатия возрастает мощность и улучшается экономичность двигателя.

2.3 Рабочие циклы четырехтактных карбюраторных и дизельных двигателей

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя состоит из следующих тактов: впуск, сжатие, рабочий ход (сгорание – расширение), выпуск.

Впуск. Поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, в цилиндре возникает разрежение, вследствие чего в него поступает горючая смесь, которая перемешивается с отработавшими газами, оставшимися в небольшом количестве в цилиндре от предыдущего цикла, и образует рабочую смесь. Температура смеси в конце впуска равна 100. 130°С, а давление примерно 0,07. 0,08 МПа (0,7. 0,8 кгс/см2).

Сжатие. Поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Оба клапана закрыты, рабочая смесь сжимается, вследствие чего ее температура повышается и улучшается испарение бензина.

К концу такта сжатия давление в цилиндре повышается до 0,8. 1,2 МПа (8. 12 кгс/см2), температура смеси достигает 280. 480 °С.

Рабочий ход (сгорание — расширение). Рабочая смесь в цилиндре воспламеняется электрической искрой и сгорает за 0,001. 0,002 с, выделяя при этом большое количество теплоты. Оба клапана закрыты. Температура сгорания свыше 2000 °С, а давление – 3,5. 4,0 МПа (35. 40 кгс/см2).

Под действием силы давления газов поршень перемещается к НМТ, вращая через шатун коленчатый вал. В процессе расширения газов за счет внутренней энергии топлива совершается механическая работа. В конце расширения давление в цилиндре падает до 0,3. 0,4 МПа (3. 4 кгс/см2), а температура снижается до 800. 1100 °С.

Выпуск. Открывается выпускной клапан. Поршень перемещается к ВМТ и очищает цилиндр от отработавших газов, выталкивая их в атмосферу. Давление в цилиндре к концу такта выпуска снижается до 0,11. 0,12 МПа (1,1. 1,2 кгс/см2), а температура до 300. 400 °С.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля, как и рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя, состоит из четырех повторяющихся тактов: впуска, сжатия, расширения газов или рабочего хода и выпуска. Однако рабочий цикл дизеля существенно отличается от рабочего цикла карбюраторного двигателя. В цилиндр дизеля поступает чистый воздух, а не горючая смесь. Воздух сжимается с высокой степенью сжатия, вследствие чего значительно повышается его давление и температура. В конце сжатия в нагретый воздух из форсунки впрыскивается мелкораспыленное топливо, воспламеняющееся не от электрической искры, а от соприкосновения с горячим воздухом. Поэтому дизель иногда называют двигателем с воспламенением от сжатия. Горючая смесь в этом двигателе образуется при впрыскивании топлива в цилиндр.

Первый такт — впуск (рисунок 2.3 а). При движении поршня от ВМТ к НМТ в цилиндре создается разрежение. Впускной клапан 5 открывается, и цилиндр наполняется воздухом. В цилиндре воздух смешивается с небольшим количеством отработавших газов. Давление воздуха в цилиндре (у прогретого двигателя) при такте впуска составляет 8 – 9 кПа, а температура достигает 50-80°С.

Рис. 2.3. Схема работы четырехтактного одноцилиндрового дизеля:

а – впуск воздуха, б – сжатие воздуха, в – расширение газов или рабочий ход,

г – выпуск отработавших газов, 1 – цилиндр, 2 – топливный насос,

3 – поршень, 4 – форсунка, 5 – впускной клапан, 6 – выпускной клапан

Второй такт – сжатие (рисунок 2.3 б). Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной 5 и выпускной 6 клапаны закрыты. Объем воздуха уменьшается, а его давление и температура увеличиваются. В конце сжатия давление воздуха внутри цилиндра повышается до 400 — 500 кПа, а температура до 600 — 700°С. Для надежной работы двигателя температура сжатого воздуха в цилиндре должна быть значительно выше температуры самовоспламенения топлива.

Третий такт – расширение газов или рабочий ход (рисунок 2.3 в). Оба клапана закрыты. При положении поршня около ВМТ в сильно нагретый и сжатый воздух из форсунки 4 впрыскивается мелкораспыленное топливо под большим давлением (1300—1850 кПа), создаваемым топливным насосом 2. Топливо перемешивается с воздухом, нагревается, испаряется и воспламеняется. Часть топлива сгорает при движении поршня к ВМТ, т. е. в конце такта сжатия, а другая часть – при движении поршня вниз в начале такта расширения. Образующиеся при сгорании топлива газы увеличивают внутри цилиндра двигателя давление до 600 – 800 кПа и температуру до 1800 – 2000 °С. Горячие газы расширяются и давят на поршень 3, который перемещается от ВМТ к НМТ, совершая рабочий ход.

Четвертый такт – выпуск (рисунок 2.3 г). Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан 6 вытесняет отработавшие газы из цилиндра. Давление и температура в конце выпуска равны соответственно 11 — 12 кПа и 600-700°С. После такта выпуска рабочий цикл дизеля повторяется в рассмотренной выше последовательности.

2.4 Назначение кривошипно-шатунного механизма

Кривошипно-шатунный механизм преобразует прямолинейное возвратно-поступательное движение поршней, воспринимающих силу давления газов, во вращательное движение коленчатого вала. Детали кривошипно-шатунного механизма можно разделить на две группы: подвижные и неподвижные. К первым относятся поршень с кольцами и поршневым пальцем, шатун, коленчатый вал и маховик, ко вторым – блок цилиндров, головка блока, прокладка головки блока и поддон (картер). В обе группы входят также и крепежные детали.

2.5 Неподвижные и подвижные группы деталей КШМ: блок цилиндров или блок-картер, головка (головки) блока цилиндров, цилиндры, шатунно-поршневая группа, коленчатый вал, подшипники, картер

Блок цилиндров или блок-картер является остовом двигателя. На нем и внутри него располагаются основные механизмы и детали систем двигателя. Блок цилиндров может быть отлит из серого чугуна (двигатели автомобилей ЗИЛ-130, МАЗ-5335, КамАЗ-5320) или из алюминиевого сплава (двигатели автомобилей ГАЗ, УАЗ и др.). Горизонтальная перегородка делит блок цилиндров на верхнюю и нижнюю части. В верхней плоскости блока и в горизонтальной перегородке расточены отверстия для установки гильз цилиндров. В цилиндре, являющемся направляющей при движении поршня, совершается рабочий цикл двигателя. Гильзы могут быть мокрыми или сухими. Гильзу цилиндра называют мокрой, если она омывается жидкостью системы охлаждения, и сухой, если непосредственно не соприкасается с охлаждающей жидкостью.

Четырехтактный двигатель, устройство и принцип работы

Рабочим циклом двигателя внутреннего сгорания называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом рабочем цилиндре. Главная задача рабочего процесса заключается в превращение тепловой энергии от сгорания рабочего тела в механическую работу, в частности во вращательное движение коленчатого вала. 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 впуска

В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). В это время кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь.

— 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 движения 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". Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно, поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемещается с остаточными отработавшими газами и называется "рабочей смесью". 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.

Смотрите анимацию, она 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.

Как диагностировать состояние двигателя по цвету выхлопных газов читайте в соответствующей статье.

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 дизельное топливо, которое под действием высокой температуры воздуха — самовоспламеняется.

В четырёхтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом

— Такт впуска

При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздухоочистителя в полость цилиндра через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух.

— Такт сжатия

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.

Тепловой и динамический расчет 4-х тактных ДВС изучайте и читайте в этой бесплатной программе

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.

К недостаткам можно отнести и необходимость регулировки теплового зазора клапанов, большее количество деталей и, соответственно, каждую из них потребуется когда-то поменять на исправную. Четырехтактные ДВС имеют большие размеры, их детали более объёмны и сложны. Для осуществления ремонта таких двигателей, необходимо использовать тяжелое гаражное оборудование: стенды-кантователи, стенды для ремонта ДВС, кран-манипулятор и т.д.

Преимущества четырёхтактных двигателей:

1. Экономичность расхода топлива за счет меньшего количества рабочих ходов в единицу времени;
2. Надежность обусловлена тепловым режимом, который у 4-х тактных ДВС более мягкий;
3. Двигатель работает значительно тише чем свой двухтактный собрат.

В отличие от двухтактного двигателя, в котором смазка коленвала, подшипников коленвала, компрессионных колец, поршня, пальца поршня и цилиндра осуществляется благодаря добавлению смазочного материала в топливо, — коленвал четырехтактного двигателя смазывается принудительно давлением. На зеркале поршня и стенках глушителя и выхлопной системе образуется значительно меньше нагара. К тому же, в 2-тактном двигателе происходит выброс топливной смеси в выхлопную трубу и влияет на экологию. С экологией у отдельная проблема. 😉

Такт работы двигателя

Рабочим циклом двигателя внутреннего сгорания называют совокупность процессов, повторяющихся в цилиндре в такой последовательности: впуск свежего заряда, сжатие, расширение или рабочий ход, выпуск.

Цикл может быть осуществлен либо за четыре, либо за два такта. В первом случае цикл называется четырехтактным, во втором – двухтактным.

Рабочий цикл поршневого двигателя проходит по одной из двух схем, представленных на рис.1. На схеме, изображенной на рис.1,а, представлен рабочий цикл с внешним смесеобразованием (бензиновые и газовые двигатели), а на рис.1,б – рабочий цикл с внутренним смесеобразованием (дизели и бензиновые с непосредственным впрыском).

Рисунок 1 – Схемы рабочего цикла двигателей

а) с внешним смесеобразованием; б) с внутренним смесеобразованием

Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

При рассмотрении цикла условно принять, что начало рабочего цикла совпадает с ВМТ, а каждый такт начинается и заканчивается в одной из мертвых точек.

Первый такт – впуск

При вращении коленчатого вала (по направлению стрелки) поршень перемещается из ВМТ в НМТ, впускной клапан открывается, выпускной клапан закрыт. Через открытый клапан цилиндр соединяется с системой впуска. Вследствие гидравлического сопротивления впускного трубопровода, впускного клапана и увеличения объема при перемещении поршня давление в цилиндре становится меньше атмосферного и воздух поступает в цилиндр. Горючая смесь, состоящая из паров мелкораспыленного топлива и воздуха, поступает под действием разряжения из впускного трубопровода в цилиндр, где смешивается с небольшим количеством остаточных газов, оставшихся от предыдущего цикла, и образует рабочую смесь.

При подходе поршня к НМТ давление в цилиндре на 0,01…0,02 МПа меньше атмосферного, а температура смеси вследствие подогрева от контакта с нагретыми деталями двигателя и перемешивания с отработавшими газами повышается до 350…390 К.

Второй такт – сжатие

Такт впуска заканчивается, когда поршень приходит в НМТ. При дальнейшем повороте коленчатого вала поршень перемещается из НМТ в ВМТ и сжимает рабочую смесь. В течение такта сжатия оба клапана остаются закрытыми.

Объем смеси при сжатии уменьшается, а давление внутри цилиндра увеличивается и достигает (в зависимости от степени сжатия) 1,0…1,5 МПа, а температура 600…650 К.

Для наилучшего использования теплоты, выделяющейся при сгорании, необходимо, чтобы сгорание топлива заканчивалось при положении поршня, возможно близком к ВМТ. Поэтому воспламенение топлива в бензиновых двигателях, осуществляемое электрической искрой, обычно производится до прихода поршня к ВМТ.

Третий такт – расширение или рабочий ход

Оба клапана закрыты. Сжатая рабочая смесь воспламеняется и быстро сгорает, образуя большое количество горячих газов, вследствие чего в цилиндре резко увеличиваются температура и давление. Под действием давления газов поршень перемещается к НМТ, газы расширяются и совершают полезную работу.

В начале расширения давление составляет 3…4 МПа, температура 2300…2500 К, а при подходе поршня к НМТ, вследствие увеличения объема, давление снижается до 0,3…0,5 МПа, а температура составляет 1200…1500 К.

Четвертый такт – выпуск

Поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра в выпускной трубопровод и в атмосферу.

При такте выпуска не достигается полная очистка цилиндра от отработавших газов, поэтому в конце выпуска давление в цилиндре составляет 0,105…0,120 МПа, а температура 700…900 К.

После окончания такта выпуска рабочий цикл повторяется в рассмотренной выше последовательности.

Только при такте расширения совершается полезная работа, а остальные такты являются вспомогательными и поршень при этих тактах перемещается за счет энергии вращающегося коленчатого вала с маховиком и работы других цилиндров (в многоцилиндровых двигателя).

Рабочий цикл четырехтактного дизеля

Рабочий цикл четырехтактного дизеля, как и рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя, состоит из четырех повторяющихся тактов: впуска, сжатия, расширения газов или рабочего хода и выпуска. Однако рабочий цикл дизеля существенно отличается от рабочего цикла бензинового двигателя. В цилиндр дизеля поступает чистый воздух, а не горючая смесь. Воздух сжимается с высокой степенью сжатия, вследствие чего значительно повышается его давление и температура. В конце сжатия в нагретый воздух из форсунки впрыскивается мелкораспыленное топливо, воспламеняющееся не от электрической искры, а от соприкосновения с горячим воздухом.

Первый такт – впуск

При движении поршня от ВМТ к НМТ давление в цилиндре снижается вследствие гидравлического сопротивления воздухоочистителя, впускного трубопровода и через открытый впускной клапан в цилиндр поступает очищенный воздух. Воздух перемешивается с небольшим количеством оставшихся от предыдущего цикла отработавших газов, температура его повышается, но меньше, чем в бензиновом двигателе, так как количество остаточных газов в цилиндре дизеля меньше, чем в бензиновом двигателе. Кроме того, подогрев воздуха происходит и от контакта с нагретыми деталями двигателя, и в конце такта впуска температура воздуха достигает 320…350 К, а давление 0,08…0,09 МПа.

Второй такт – сжатие

Поршень движется от НМТ к ВМТ, впускной и выпускной клапаны закрыты. Давление и температура воздуха увеличиваются и при подходе поршня к ВМТ составляют: давление 4,0…5,5 МПа, а температура 850…1000 К. В конце такта сжатия с помощью насоса через форсунку в цилиндр под высоким давлением впрыскивается мелкораспыленное топливо. Давление впрыскивания составляет 13,0…18,5 МПа. Топливо от соприкосновения с нагретым воздухом испаряется, его пары перемешиваются с воздухом и воспламеняются.

Третий такт – расширение или рабочий ход

При сгорании топлива, вследствие подвода большого количества теплоты, резко увеличивается давление и температура образовавшихся газов.

В начале такта расширения давление газов составляет 6,0…8,0 МПа, а температура 2100…2300 К.

Под действием давления поршень из ВМТ перемещается в НМТ, совершая полезную работу. Объем цилиндра увеличивается, давление и температура газов снижаются и при подходе поршня к НМТ составляют: давление 0,2…0,4 МПа, температура 800…1200 К.

Четвертый такт – выпуск

Поршень перемещается от НМТ к ВМТ. Через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются через выпускной трубопровод в атмосферу.

В конце такта выпуска давление газов 0,11…0,12 МПа, температура 800…900 К.

После такта выпуска рабочий цикл дизеля повторяется.

Рабочий цикл двухтактного карбюраторного двигателя

В двухтактных двигателях время, отводимое на рабочий цикл, используется более полно, так как процессы впуска и выпуска совмещены по времени с процессами сжатия и расширения. В отличие от четырехтактного двигателя очистка цилиндра от отработавших газов и наполнение его свежим зарядом происходит при положении поршня вблизи НМТ. При этом очистка цилиндра от отработавших газов осуществляется не выталкиванием их поршнем, а предварительно сжатым до определенного давления воздухом или горючей смесью.

На рис.2 представлена схема двухтактного карбюраторного двигателя с кривошипно-камерной продувкой.

Рисунок 2 – Схема двухтактного карбюраторного двигателя

1 – впускное окно; 2 – выпускное окно; 3 – свеча зажигания; 4 – цилиндр; 5 — поршень; 6 – перепускное окно; 7 – канал; 8 – герметичный картер

В этом двигателе нет специального механизма газораспределения. Вместо него цилиндр имеет окна: впускное окно 1, соединяющее цилиндр с карбюратором; выпускное окно 2 и перепускное окно 6, соединяющее цилиндр с герметичным картером при помощи канала 7. Перемещающийся внутри цилиндра поршень в определенной последовательности открывает и закрывает окна, выполняя функции механизма газораспределения. В цилиндр двухтактного двигателя с кривошипно-камерной продувкой горючая смесь поступает через картер. Для подготовки двигателя к работе необходимо сделать два подготовительных хода: первый – впуск горючей смеси в картер; второй – перепуск горючей смеси из картера в цилиндр.

Первый такт

Поршень 5 перемещается снизу вверх и боковой поверхностью сначала закрывает перепускное окно 6, а затем и выпускное 2. В цилиндре происходит сжатие рабочей смеси, а в картер вследствие разряжения из карбюратора поступает горючая смесь. При подходе поршня к ВМТ между электродами свечи зажигания появляется электрическая искра, в результате чего рабочая смесь в цилиндре воспламеняется и сгорает.

Второй такт

Образовавшиеся горячие газы расширяются и давят на поршень, вследствие чего он опускается вниз, совершая рабочий ход. В конце рабочего хода поршень сначала открывает выпускное окно 2, и отработавшие газы из цилиндра через глушитель выходят в атмосферу. Опускаясь ниже, поршень открывает перепускное окно 6, и горючая смесь по каналу 7 поступает в цилиндр, заполняет его и вытесняет отработавшие газы. Незначительная часть горючей смеси вместе с отработавшими газами выходит в атмосферу и не принимает участия в рабочем цикле.

Примечание: Параметры цикла (давление и температура) соответствуют параметрам четырехтактного бензинового двигателя.

Двухтактные двигатели, работающие по данной схеме газообмена, имеют сухой картер, т.е. в картере отсутствует смазочный материал. Для смазывания трущихся деталей двигателя смазочный материал добавляют к топливу в пропорции 1:20 по объему. Следовательно, горючая смесь в виде воздуха, топлива и масла обеспечивает при своем движении одновременно и смазку двигателя.

На рис.3 показан принцип действия четырех- и двухтактного двигателя внутреннего сгорания.

Как работает двигатель внутреннего сгорания

Читатели Mafin Media уже знакомы с типами двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и запросто отличат VR-образную «шестерку» от рядной «четверки» и вспомнят о недостатках и преимуществах роторно-поршневого двигателя. В новом материале расскажем простыми словами, как устроено «автомобильное сердце».

Механические самоходные транспортные средства активно разрабатывались еще в XVIII веке. Но именно в 1880-х годах немецкие конструкторы Готтлиб Даймлер и Карл Бенц установили первые бензиновые двигатели на мотоцикл и трехколесную коляску. Самоходный экипаж Бенца приводился в движение одноцилиндровым мотором мощностью 1,5 л. с. (традиционно мощность принято измерять в лошадиных силах и киловаттах). За почти полтора столетия «самоходной» истории принцип работы ДВС кардинально не изменился: колеса приводятся в движение механической энергией, получаемой благодаря сгоранию топливно-воздушной смеси внутри двигателя.

«Коктейль» для двигателя

Топливно-воздушная смесь — это « коктейль» из собственно топлива и воздуха . Для бензинового двигателя рабочее соотношение в среднем составляет 1 к 15, то есть 1 единица топлива и 15 единиц воздуха. Если добавить больше горючего (обогатить смесь), пострадает экономичность, если меньше (обеднить) — мощность. Со слишком обедненной или обогащенной смесью мотор вообще может отказываться заводиться.

Компоненты двигателя: где и как сгорает смесь

Самое важное происходит в корпусе двигателя, который объединяет блок цилиндров (слева на фото) и головку блока цилиндров (справа на фото).

Блок цилиндров содержит полые внутри цилиндрические трубки, в которых размещаются поршни.

Головка блока цилиндров (ГБЦ) монтируется на блок цилиндров и образует герметичные (т. е. непроницаемые для посторонних жидкостей и газов) камеры сгорания .

Внутри камеры сгорания устанавливаются поршни — детали цилиндрической формы, совершающие возвратно-поступательные движения под действием сгорания смеси.

Поршни — часть кривошипно-шатунного механизма (КВШ), комплекса деталей, который преобразует движения поршня во вращение коленчатого вала. Последний и двигает колеса автомобиля. Так выглядит КВШ вместе с поршнями двигателя:

В головке блока цилиндров находятся упомянутые выше форсунки — вместе со свечами зажигания (в бензиновом моторе) и клапанами . Свечи зажигания производят электрическую искру, предназначенную для воспламенения топливно-воздушной смеси.

! — Если автомобиль оснащен непосредственным впрыском топлива (в камеру сгорания), форсунки находятся в ГБЦ, а если впрыск распределительный — форсунки установлены во впускном коллекторе вблизи впускных клапанов.

Клапаны относятся к механизму газораспределения и внешне напоминают большие гвозди:

Такая форма дана им неслучайно: нижней, выпуклой частью они закрывают и открывают впускные и выпускные отверстия в камере сгорания, поочередно впуская подготовленную топливно-воздушную смесь или воздух и выпуская отработанные газы. Соответственно, в зависимости от своей роли клапаны бывают впускными и выпускными .

Обычно на один цилиндр приходится от двух до четырех клапанов. За то, чтобы «доступ» в камеру сгорания открывался вовремя, и отвечает механизм газораспределения (ГРМ), в который выходят клапаны. В зависимости от мотора ГРМ приводится в действие ремнем или цепью.

Рассмотрим цилиндр в разрезе:

Четыре такта

Любой двигатель функционирует согласно циклу, состоящему из нескольких тактов, то есть ходов (движений) поршня. Большинство автомобильных моторов — четырехтактные.

Рассмотрим такты бензинового двигателя:

1. Впуск: открывается впускной клапан, в камеру сгорания попадает топливно-воздушная смесь, а поршень идет вниз.
2. Сжатие: оба клапана закрыты, поршень идет вверх, сжимая и нагревая смесь.
3. Рабочий ход: оба клапана закрыты, под действием электрической искры от свечи зажигания сжатая и разогретая топливно-воздушная смесь воспламеняется, образовавшиеся при этом газы толкают поршень вниз.
4. Выпуск: выпускной клапан открыт, поршень идет вверх, выталкивая отработанные газы в сторону выхлопной трубы.

После этого цикл повторяется. У дизельного двигателя вместо свечи установлена форсунка, и смесь воспламеняется не при помощи искры, а от сжатия — впрыска дизельного топлива через форсунку под большим давлением. Впускной клапан при этом подает в камеру сгорания только воздух. Кстати, в некоторых современных бензиновых моторах форсунка тоже впрыскивает топливо непосредственно в цилиндр.

А как запускается первый такт?

Каждый автомобиль обладает набором бортовой электроники — проводов, аккумулятора, стартера и т. д. Аккумулятор за время поездок накапливает достаточно энергии, чтобы при помощи специального механизма — стартера — раскрутить коленвал и завести мотор.

И что дальше?

Мощность от двигателя к колесам передается с помощью коробки передач, редуктора и приводных валов. Если мотор соединить с колесами напрямую, автомобиль после запуска начнет движение на одной-единственной передаче, с небольшой скоростью, а после торможения сразу заглохнет. Об этих передачах и о типах коробок (автоматах, вариаторах, механиках и т. д.) Mafin Media расскажет в следующем материале.