Четырехтактный двигатель и принцип его работы

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.

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.

Сжатие топливной смеси

Это второй такт. Здесь поршень движется вверх, а клапаны полностью закрыты. В этот момент топливно-воздушная смесь сжимается, тем самым нагреваясь. Это нужно для более эффективного сгорания смеси.

От чего зависит мощность четырехтактного ДВС

Тут вроде бы всё ясно — мощность поршневого двигателя в основном определяется:

  1. объёмом цилиндров;
  2. степенью сжатия рабочей смеси;
  3. частотой вращения.

Поднять мощность четырехтактного двигателя также можно повысив пропускную способность тактов всасывания и выхлопа, увеличив диаметр клапанов (особенно впускных).

Так же максимальная мощность получается при максимальном заполнении цилиндров, для этого используют турбины принудительной подкачки воздуха в цилиндр. В следствии чего повышается давление в цилиндре и соответственно КПД двигателя значительно возрастает.

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.

Благодаря этому действию в верхней области цилиндрВсе 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

При этом впускной и выпускной клапаны закрыты, из-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

Именно в этом такте тепловая энергия переходит в мВ 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

В итоге, температура в цилиндре снижается до 500 СПоршень 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.

Функционирование двухтактного агрегата

Хоть и статья не об этом, однако стоит коротко описать функционирование двухтактного двигателя с целью сравнить их. Как становится понятно из наименования, функционирование такого мотора проходит только через два такта.

 Поршень продвигается наверх, что приводит к сжати
  1. Поршень продвигается наверх, что приводит к сжатию горючей смеси, после которого (без достижения верхней мертвой точки) она воспламеняется. По достижению поршнем верхней мертвой точки открываются окна впуска в стене цилиндра, из-за чего горючая смесь перетекает в кривошипную камеру.
  2. Под действием растягивающихся газов поршень продвигается в нижнюю сторону. Пребывая в нижнем положении, поршень открывает окна впуска и выпуска. Газы попадают в трубу выхлопа, а на их месте оказывается горючая смесь.

  • Техника

Из чего состоит двигатель

Чтобы понять принцип работы, познакомимся с основными составляющими движка:

  • блок цилиндров;
  • кривошипно-шатунный механизм (включает коленвал, поршни, шатуны) ‒ он необходим для преобразования поступательно-возвратных движений поршня во вращательное движение коленвала;
  • головка блока вместе с газораспределительным механизмом, который открывает впускные и выпускные клапаны, для того чтобы поступала рабочая смесь и выходили отработавшие газы. ГРМ может включать один или более распредвалов, которые состоят из кулачков для толкания клапанов, самих клапанов и клапанных пружин. Для стабильной работы четырехтактного движка существует ряд вспомогательных систем:
  • система зажигания ‒ для поджига горючей смеси в цилиндрах;
  • впускная система ‒ для подачи воздуха и рабочей смеси в цилиндр;
  • топливная система ‒ для непрерывной подачи топлива, получения смеси воздуха и горючего;
  • система смазки – для смазки трущихся деталей, а также одновременного удаления продуктов износа;
  • выхлопная система – для удаления отработанных газов из цилиндров, снижения токсичности выхлопа;
  • система охлаждения – для поддержки оптимальной температуры движка.

Принцип работы четырехтактного бензинового двигателя

Рабочий цикл 4-х тактного двигателя состоит из четырех тактов: впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.


Принцип работы четырехтактного двигателя

При впуске поршень опускается из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю (НМТ). При этом с помощью кулачков распределительного вала открывается впускной клапан, через который в цилиндр засасывается топливная смесь.

При обратном ходе поршня (из НМТ в ВМТ) происходит сжатие топливной смеси, сопровождающееся ростом ее температуры.

Перед самым концом сжатия между электродами свечи загорается искра, поджигающая топливную смесь, которая, сгорая, образует горючие газы, толкающие поршень вниз. Происходит рабочий ход, при котором совершается полезная работа.

После перехода поршня НМТ открывается выпускной клапан, позволяя двигающемуся вверх поршню вытолкнуть отработавшие газы из цилиндра. Происходит выпуск. В верхней мертвой точке выпускной клапан закрывается, и цикл повторяется снова.


Работа четырехтактного двигателя

Устройство четырехтактного бензинового двигателя (Honda): 1 – топливные фильтры, 2 – коленчатый вал, 3 – воздушный фильтр, 4 – часть системы зажигания, 5 – цилиндр, 6 – клапан, 7 – подшипник коленчатого вала.

Двигатель Honda

Устройство и принцип работыnbsp;одноцилиндрового двигателя

Устройство одноцилиндрового ДВС:  1 &nda

Устройство одноцилиндрового ДВС:  – головка цилиндра; 2 – цилиндр; 3 – поршень; 4 – поршневые кольца; 5 – поршневой палец; 6 – шатун; 7 – коленчатый вал; 8 – маховик; 9 – кривошип; 10 – распределительный вал; 11 – кулачок распределительного вала; 12 – рычаг; 13 – впускной клапан; 14 – свеча зажигания

Данные двигатели получили широкое распространение Тепловые зазоры клапанов двигателя — как отрегулировать? Работа любого двигателя внутреннего сгорания зависит от четкой работы газораспределительного…

Данные двигатели получили широкое распространение даже в автомобилях. Несмотря на малое количество цилиндров, они имеют довольное малое отношение площади рабочей части цилиндра ко всему рабочему объему двигателя. Это преимущество говорит о том, что такой мотор имеет минимальные потери самое главной — тепловой энергии, а значит, обладает высоким коэффициентом полезного действия.

Устройство такого двигателя практически не представляет собой ничего сложного, в отличии от современных  атмосферных и турбированных моторов . Он представлен всего одним цилиндром, во внутренней части которого перемещается такой же поршень, как и во многоцилиндровых автомобильных двигателях. В верхней части камеры сгорания располагаются два клапана, которые отвечают за подачу топливной смеси, а второй за выпуск отработавших газов.

Работа данного двигателя заключается в следующем.

Работа данного двигателя заключается в следующем. Всего такой мотор имеет четыре такта:

  • Впуск . Поршень внутри цилиндра располагается в самой верхней мертвой точке и движется вниз в строгом соответствии с поворотом коленчатого вала на 180 градусов. Пока поршень движется вниз, открывается, клапан, отвечающий за подачу топливной смеси, и в камеру сгорания подается топливо, смешанное с воздухом. После достижения поршнем самой нижней мертвой точки начинается следующий такт.
  • Сжатие . Во время этого такта задача поршня – вернуться в верхнюю мертвую точку. Коленчатый вал вращается дальше, еще на 180 градусов, при этом: впускной клапан полностью закрывается, а поршень движется наверх, сжимая уже готовую смесь.Рабочий ход . Как только поршень достигнет самой в
  • Рабочий ход . Как только поршень достигнет самой верхней мертвой точки, в камере сгорания смесь будет сжата до критической отметки. В этот самый момент на электродах свечи зажигания при помощи ряда устройств возникает искра, которая воспламеняет топливовоздушную смесь. С этого момент начинается такт расширения, или как его называют по-другому – рабочего хода. Поршень, под действием энергии, возникшей от воспламенения смеси, движется снова вниз, заставляя вращаться коленчатый вал. Клапана находятся в закрытом состоянии.
  • Такт выпуска . После достижения нижней мертвой точки, поршень снова движется вверх под действием силы инерции, передаваемой от коленчатого вала. В этот момент открывается выпускной клапан и под давлением через него во впускной коллектор выходят отработавшие газы. Такт завершается после закрытия выпускного клапана и после того, как поршень окажется в верхней точке. Далее цикл тактов повторяется.

Основным тактом любого двигателя является рабочий ход. Именно в этот момент происходит самое главное – преобразование энергии тепла в механическую энергию.

Работа двигателя

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

Этапы работы :

  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.

Сжатие

После заполнения камеры сгорания горючей смесью бензиновых паров и воздуха, если коленвал производит вращательные движения, поршень начнет возвращаться в свое нижнее положение. Впускной клапан на данном этапе начнет закрываться. А выпускной будет все еще закрыт.

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.

История

Феличче Матоци и Евгением БарсантиПриблизительно 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.

Такт расширения газов в дизельном двигателе

Когда поршень дизельного двигателя еще не дошел до верхней точки примерно на 30 градусов по коленвалу, ТНВД через форсунку подает в цилиндр топливо под высоким давлением. Значение в 18 МПа необходимо, чтобы горючее могло тонко распыляться и распределиться по всему объему в цилиндре.

Далее топливо под действием высоких температур вос

Далее топливо под действием высоких температур воспламеняется и быстро сгорает. Поршень движется к нижней точке. Температура внутри цилиндра в этот момент составляет около 2000 градусов. К концу такта температура снижается.

Капризы одноцилиндровых моторов

Во время работы двигателя создаются очень высокие температуры. Детали, которые работают в парах трения, должны периодически охлаждаться и хорошо смазываться. Зазоры между узлами нужно промывать, чтобы удалить продукты износа. Также хорошее масло отлично отводит тепло от поверхностей, которые работают наиболее интенсивно.

Также нужно позаботиться о хорошей дополнительной системе охлаждения. В мотоциклах и скутерах охлаждение зачастую воздушное.

Принципы работы ДВС

— Принцип работы двухтактного двигателя

Когда происходит запуск двигателя, поршень, увлекаемый поворотом коленчатого вала, приходит в движение. Как только он достигает своей нижней мёртвой точки (НМТ) и переходит к движению вверх, в камеру сгорания цилиндра подаётся топливно-воздушную смесь. В своём движении вверх поршень сжимает её. В момент достижения поршнем его верхней мёртвой точки (ВМТ) искра от свечи электронного зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь. Моментально расширяясь, пары горящего топлива стремительно толкают поршень обратно к нижней мёртвой точке. В это время открывается выпускной клапан, через который раскалённые выхлопные газы удаляются из камеры сгорания. Снова пройдя НМТ, поршень возобновляет своё движение к ВМТ. За это время коленчатый вал совершает один оборот. При новом движении поршня опять открывается канал впуска топливно-воздушной смеси, которая замещает весь объём вышедших отработанных газов, и весь процесс повторяется заново. Ввиду того, что работа поршня в подобных моторах ограничивается двумя тактами, он совершает гораздо меньшее, чем в четырёхтактном двигателе, количество движений за определённую единицу времени. Минимизируются потери на трение. Однако выделяется большая тепловая энергия, и двухтактные двигатели быстрей и сильнее греются. В двухтактных двигателях поршень заменяет собой клапанный механизм газораспределения, в ходе своего движения в определённые моменты открывая и закрывая рабочие отверстия впуска и выпуска в цилиндре. Худший, по сравнению с четырёхтактным двигателем, газообмен является главным недостатком двухтактной системы ДВС. В момент удаления выхлопных газов теряется определённый процент не только рабочего вещества, но и мощности.

— Принцип работы четырёхтактного двигателя

Данных недостатков лишены четырёхтактные ДВС, которые, в различных вариантах, и устанавливаются на практически все современные автомобили, трактора и прочую технику. В них впуск/ выпуск горючей смеси/выхлопных газов осуществляются в виде отдельных рабочих процессов, а не совмещены со сжатием и расширением, как в двухтактных. При помощи газораспределительного механизма обеспечивается механическая синхронность работы впускных и выпускных клапанов с оборотами коленвала. В четырёхтактном двигателе впрыск топливно-воздушной смеси происходит только после полного удаления отработанных газов и закрытия выпускных клапанов.

Системы впуска четырехтактных двигателей альтернативы таральчатым клапанам

Развитие четырехтактной системы впуска шло по пути устранения, насколько это возможно, поступательно движущихся узлов клапанного механизма. В то время, как схема DOHC максимально приблизилась к этой цели, сам тарельчатый клапан остается ограничивающим фактором. Тарельчатый клапан успешно работает, но обладает очевидными недостатками. Кроме того, что он относится к возвратно-поступательно движущимся массам, он также представляет собой значительную преграду для поступающей смеси, тем самым порождая нежелательную турбулентность и сопротивление, которые препятствуют наполнению цилиндра. При разработке современных конструкций прилагается множество усилий для компенсации этих недостатков, но основные проблемы по прежнему остаются. За последние годы было предпринято бесчисленное количество попыток заменить тарельчатый клапан альтернативной системой клапанов, среди них наиболее обнадеживающим выглядит схема с вращающимся крестообразным клапаном. Он представляет собой полый цилиндр, установленный поперек головки цилиндра в специальной камере. Цилиндр клапана вращается с частотой, вдвое меньшей частоты вращения коленчатого вала двигателя, при этом прорезь в его стенке совпадает с впускным или выпускным отверстием в соответствующей точке цикла двигателя. Таким образом, клапанный механизм приводится в действие аналогично дисковому клапану двухтактных двигателей и обеспечивает свободное поступление газа в камеру сгорания. Компания Norton опробовала такие клапана на своих спортивных двигателях в начале 50-х годов XX века, но, столкнувшись с проблемой уплотнений, впоследствии вернулась к тарельчатым клапанам.

Наряду с золотниковым клапаном и клапаном типа Aspin, вращающийся крестообразный клапан был отвергнут,главным образом, из-за свойственных ему проблем герметизации, а тарельчатый клапан занимал достаточно прочные позиции для того, чтобы заставить изготовителей отказаться от дальнейших исследований. Однако концепция вращающегося клапана не забыта, и уже существует четырехтактный двигатель, в котором не используются тарельчатые клапана. Он представляет собой вращающийся цилиндр с окнами. Привод цилиндра осуществляется от коленчатого вала при помощи шестеренчатой передачи, частота вращения цилиндра ниже скорости коленчатого вала вдвое.

Существенная особенность этого двигателя — поршень, поступательно движущийся в том же самом цилиндре, то есть герметизацию обеспечивает стандартный поршень и его кольца. Посути это совмещение конструкций вращающихся клапанов, упомянутых выше, и системы каналов, используемой на двухтактном двигателе.

История четырехтактного двигателя

Началом истории самого популярного ДВС считаются 70-е годы 19 века, тогда первую рабочую модель такого мотора представил немецкий инженер и предприниматель Николаус Отто. Его работы были основаны на трудах предшественников, пытавшихся найти альтернативу паровой машине.

В начале 19 века французский изобретатель Филипп Лебон создал агрегат, в котором благодаря его же открытиям, горючая смесь загоралась в цилиндре двигателя, а не в топке. В середине века в Бельгии был создан двухтактный двигатель внутреннего сгорания, который затем усовершенствовал Отто. Его четырехтактный движок обладал более высоким КПД, был экономичней и не превосходил предшественника по размерам.

Отто не оценил перспектив своего изобретения, и не прислушался к своему сотруднику – Готлибу Даймлеру, который предложил создать на основе четырехтактного двигателя автомобиль. Даймлер ушел из команды Отто и через несколько лет такой автомобиль все-таки создал. Попутно добавил в него несколько своих идей. Например – вставил в цилиндры трубки накаливания. Во второй половине 19 века был изобретен карбюратор, а конце века к нему добавили форсунку.С тех пор кардинально четырехтактный ДВС переделывать не пришлось. Основная сфера современных изобретений – газораспределительная система, конструктивные модификации – OHV, SV или OHC (аббревиатуры означают расположение клапанов и распредвала), а также варианты системы смазки («сухой» картер).

Заключение

Теперь вы знаете конструкцию двухтактного и мощного четырехтактного двигателей. Движки двухтактные шумные. Это еще одно отличие их. Однако есть подобные силовые агрегаты с турбонаддувом, они в несколько раз мощнее одинаковых по объему четырехтактников. При выборе количества тактов в движке, решение всегда остается за будущим владельцем мотора.