Thesenyadit › блог › принцип работы двс. рабочие циклы двигателя (изучаем вместе)

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.

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.

Карбюраторные и инжекторные двигатели

В карбюраторных двигателях процесс приготовления горючей смеси происходит в карбюраторе — специальном устройстве, в котором топливо смешивается с потоком воздуха за счёт аэродинамических сил, вызываемых энергией потока воздуха, засасываемого двигателем.

В инжекторных двигателях впрыск топлива в воздушный поток осуществляют специальные форсунки, к которым топливо подаётся под давлением, а дозирование осуществляется электронным блоком управления — подачей импульса тока, открывающим форсунку или же, в более старых двигателях, специальной механической системой.

Переход от классических карбюраторных двигателей к инжекторам произошёл в основном из-за возрастания требований к чистоте выхлопа (выпускных газов), и установке современных нейтрализаторов выхлопных газов (каталитических конвертеров или просто катализаторов). Именно система впрыска топлива, контролируемая программой блока управления, способна обеспечить постоянство состава выхлопных газов, идущих в катализатор. Постоянство же состава необходимо для нормальной работы катализатора, так как современный катализатор способен работать лишь в узком диапазоне данного состава, и требует строго определённого содержания кислорода. Именно поэтому в тех системах управления, где установлен катализатор, обязательным элементом является лямбда-зонд, он же кислородный датчик. Благодаря лямбда-зонду система управления, постоянно анализируя содержание кислорода в выхлопных газах, поддерживает точное соотношение кислорода, недоокисленных продуктов сгорания топлива, и оксидов азота, которое способен обезвредить катализатор. Дело в том, что современный катализатор вынужден не только окислять не полностью сгоревшие в двигателе остатки углеводородов и угарный газ, но и восстанавливать оксиды азота, а это — процесс, идущий совершенно в другом (с точки зрения химии) направлении. Желательно также ещё раз окислять окончательно весь поток газов. Это возможно лишь в пределах так называемого «каталитического окна», то есть узкого диапазона соотношения топлива и воздуха, когда катализатор способен выполнить свои функции. Соотношение топлива и воздуха в данном случае составляет примерно 1:14,7 по весу (зависит также от соотношения С к Н в бензине), и удерживается в коридоре приблизительно плюс-минус 5 %. Так как одной из труднейших задач является удержание нормативов по оксидам азота, дополнительно необходимо снижать интенсивность их синтеза в камере сгорания. Делается это в основном снижением температуры процесса горения с помощью добавления определённого количества выхлопных газов в камеру сгорания на некоторых критичных режимах (система рециркуляции выхлопных газов).

Конструкция и принцип работы 2-тактного двигателя

2-тактный двигатель нашел наибольшее распространение на малой технике (бензопилы, мотокосы), мотоциклах.

ПОПУЛЯРНОЕ У ЧИТАТЕЛЕЙ: Ремонт поршневой группы, особенности, где лучше делать

Когда-то существовали даже дизельные 2-х тактные двигатели, устанавливаемые на грузовики, к примеру, МАЗ-200.

Интересно, что описанные выше такты у любого двухтактного двигателя никуда не делись, просто они были совмещены.

В итоге это позволяет сократить полный цикл всего в один оборот колен. вала.

Так, при движении поршня от НМТ

производится сразу два такта – выпуск и сжатие, а при движении от ВМТ – впуск и рабочий ход.

Достигнуть этого всего возможно при использовании окон в цилиндрах, через которые производится засасывание и перекачивание топливной смеси, а также отвод продуктов горения.

Открытие и закрытие этих окон обеспечивается самим поршнем. Чтобы соблюдалась правильность работы механизма, окна располагаются на разных уровнях в стенках цилиндра.

Чтобы было более понятно, возьмем двигатель мотоцикла «ИЖ Планета 5».

Данный мотоцикл укомплектован одноцилиндровым двухтактным мотором.

Цилиндр располагается поверх корпуса двигателя, охлаждение его воздушное, поэтому у него по окружности располагаются ребра охлаждения.

С одной стороны, к цилиндру прикреплен патрубок, идущий от карбюратора, по нему в цилиндр поступает горючая смесь.

Напротив, этого патрубка устанавливается труба отвода отработанных газов.

Вверху цилиндр прикрывает головка, в которой размещена свеча накаливания.

Внутри цилиндра располагается поршень, связанный с кривошипом коленчатого вала через шатун

Далее уже он связан со сцеплением и трансмиссией, но это пока неважно

Для подачи топлива в надпоршневое пространство в двухтактном двигателе задействовано и подпоршневое пространство.

При движении поршня вверх в подпоршневом пространстве создается разряжение, в которое засасывается топливовоздушная смесь через впускное окно.

Подача же из подпоршневого пространства в надпоршневое производится от избыточного давления, которое возникает при движении поршня вниз.

Подача топлива производится через перепускное окно. Выпуск продуктов горения проходит через выпускное окно.

Теперь как все это работает.

Начнем с движения поршня к ВМТ. Находясь в НМТ, поршень обеспечивает открытие перепускного и выпускного окон. Избыточное давление в подпоршневом пространстве выталкивает горючую смесь в надпоршневое пространство.

Двигаясь вверх, поршень перекрывает открытые окна, в результате чего камера сгорания становится герметичной.

Доходя до ВМТ, поршень сжимает смесь далее подается искра от свечи накаливания, которая установлена в головке цилиндра.

В это время, поршень двигаясь вверх, открывает впускное окно, через которое смесь поступает в подпоршневое пространство. То есть получается, что в одном такте – движении поршня от НМТ к ВМТ происходит два действия: вначале впуск топлива, затем – сжатие.

После воспламенения топлива, выделенная при этом энергия толкает поршень вниз.

Двигаясь вниз он от ВМТ, поршень открывает сначала выпускное окно. При сгорании объем продуктов горения значительно увеличивается, поэтому они сразу начинают вырываться через это окно.

Получается, что при движении поршня вниз вначале выполняется рабочий ход, а после открытия выпускного окна – еще и такт выпуска.

Дальше при движении поршня вниз, он открывает перепускное окно и топливо начинает поступать в надпоршневое пространство – цикл начинает повторяться, при этом на выполнение всего цикла понадобилось только движение поршня сначала вверх, а затем вниз, что соответствует одному обороту колен. вала.

Эксплуатационные показатели в сравнении

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Это интересно: Как выбрать качественный электромотор для лодки ПВХ (видео)

Принцип работы двигателя

   А принцип работы этого двигателя, мы рассмотрим на примере велосипеда.

 Я думаю, все знают гоночный или туристский велосипед — самый доступный способ для изучения принципа работы двигателя и  коробки скоростей.

ВАШИ НОГИ – это «шатуны»(2)(помните? шатун в двигателе), которые давят на педали, а педальный механизм — это и есть коленвал(1). А ваша физическая сила давит на эти шатуны, как поршень(4) в двигателе.

 Поршень находится в ограниченном пространстве, которое называется цилиндр(3), туда подается топливо. Это топливо поджигается искрой от свечи зажигания(5) и происходит воспламенение или, точнее, микровзрыв, вследствие чего, вся энергия от микровзрыва передается на поршень. Поршень связан с шатуном и давит на него, а шатун, в свою очередь давит на коленвал.

 Коленвал – это своего рода, педальный механизм, а велосипед, у которого две педали, будем считать, имеет двух цилиндровый «биодвигатель». Благодаря действию вашей энергии или, скажем, физической силы, вы начинаете ногами давить на педали, тем самым приводить в действие педальный механизм (коленвал). По мере того, как вы быстро начнете вращать педали, будет увеличиваться скорость велосипеда благодаря оборотам педального механизма – «коленчатого вала» —  как будто нажимаем на газ. 

⁠Порядок работы цилиндров двигателя

Плюсы и минусы ДВС

Для начала рассмотрим все имеющиеся достоинства и недостатки двухтактных моторов, которые несмотря на свою конструкцию, пользуются большой популярностью. К их преимуществам относятся:

1. Простота конструкции
2. Высокая скорость набора оборотов
3. Невысокая стоимость, что делает инструменты, оснащенные такими агрегатами очень популярными
4. Простота обслуживания, что обусловлено отсутствием ГРМ и отдельной системы смазки
5. Малый вес и габариты, что делает инструменты с такими ДВС удобными и практичными

Теперь разберемся со всеми недостатками, которые имеются у двухтактных двигателей:

• Шумность работы
• Низкая экологичность, что обусловлено выделением в атмосферу не сгоревшего топлива
• Низкий ресурс работы
• Необходимость смешивания бензина с маслом при каждой дозаправке. Кроме того, нельзя долго хранить разведенное топливо, иначе происходит его порча
• Большой расход топлива
• Небольшая мощность в сравнении с четырехтактными

У 4-тактных агрегатов достоинств намного больше, однако такие недостатки, как сложность конструкции, большой вес и цена оставляют негативный отпечаток. Далеко не каждый может позволить себе покупку, к примеру, снегоуборщика с 4-тактным мотором, который стоит в 2 раза больше, чем аналог с более примитивным агрегатом. Все недостатки 2-тактных моторов — это есть преимущества четырехтактных.

В силу большого количества недостатков обоих видов двигателей, производители запатентовали выпуск модернизированных моделей ДВС, которые получили название 4-MIX и 2-MIX. Наверняка вы сталкивались с тем, что при ремонте или замене деталей двигателя бензопилы или бензокосы, обнаруживалось наличие механизма ГРМ, но при этом инструмент заправляется разведенным бензином с маслом, как указывает производитель. Все верно, это говорит о том, что ваш инструмент оснащен двигателем 4-mix. Более подробно об этих типах двигателей узнаем далее.

Четырехтактные двигатели внутреннего сгорания: история создания и принцип действия

В 1876 году немецкий инженер Николаус Отто изобрел и запатентовал первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.

Конструкции четырехтактных дизельных и бензиновых двигателей очень похожи. В обоих случаях смесь топлива и воздуха подается в цилиндр, снабженный поршнем. Цилиндров может быть от 4 до 8 и даже более. Они работают последовательно, чтобы поддерживать постоянную мощность двигателя. Цикл работы каждого цилиндра состоит из 4 тактов — движения поршня.

Цикл начинается с 1 такта — впуска. Открывается впускной клапан, под действием коленчатого вала поршень двигается вниз, засасывая в цилиндр топливо и воздух.

Затем впускной клапан закрывается, и поршень толкаемый кривошипом, возвращается в цилиндр, сжимая топливо-воздушную смесь и тем самым разогревая ее. Этот 2 такт называется сжатием. В бензиновых двигателях в этот момент смесь воспламеняется свечой зажигания. При сгорании смесь расширяется. Происходит 3 такт — рабочий ход. Давление газов заставляет поршень двигаться вниз и вращать коленчатый вал.

В конце рабочего хода открывается впускной клапан, и начинается выход отработанных газов. Этот 4 такт называется выпуском. В это же время коленчатый вал толкает поршень обратно вверх, вытесняя из цилиндра оставшиеся газы. Когда процесс заканчивается, начинается новый 4-тактный цикл.

Схема работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

Далее на инфографике изображена принципиальная схема всех четырех тактов.

1. Впуск: поршень идет вниз, засасывая воздух и топливо в цилиндр.
2. Сжатие: поршень поднимается и сжимает топливную смесь.

3. Рабочий ход: искра воспламеняет топливно-воздушную смесь и газы толкают поршень вниз.
4. Выпуск: поршень поднимается и цилиндр и выталкивает отработанные газы.

Конструкция двигателя Отто была усовершенствована и доработана другим немецким инженером Готлибом Даймлером (1834 — 1900). Даймлер запатентовал более мощную и быстроходную модель двигателя в 1887 г. Обычный двигатель внутреннего сгорания может иметь 8 или даже дольше цилиндров. В каждом цилиндре поршень после поджигания топливно-воздушной смеси движется вниз и вращает коленчатый вал. Специальные клапаны осуществляют впуск топливно-воздушной смеси и выпуск отработанных газов.

Четырехтактные двигатели применяются в основном в автомобилестроении. Цикл их работы состоит из 4 тактов: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Только такт рабочего хода заставляет коленчатый вал вращаться. В современных автомобильных двигателях имеется сразу несколько цилиндров. Поршни, находящиеся в этих цилиндрах, последовательно выполняют каждый из 4 тактов рабочего цикла.

Рабочий цикл карбюраторного двигателя:

— Такт впуска

— 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 двигателяРабочие 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.

Третий такт — рабочий ход.

В конце такта сжатия (20—30 градусов угла поворота коленчатого вала ло прихода поршня в ВМТ) с помощью насоса через форсунку в цилиндр под высоким давлением (15—20 МПа) в мелкораспыленном виде впрыскивается порция топлива. Топливо от соприкосновения с нагретым воздухом испаряется, его пары перемешиваются с нагретым воздухом и воспламеняются. При сгорании топлива, вследствие подвода большого количества теплоты, резко увеличиваются лишение и температура образовавшихся газов. В начале такта расширения давление газов составляет 7—8 МПа. а температура 2100—2300 К. Под действием давления поршень перемешается от ВМТ к НМТ, совершая полезную работу. Объем цилиндра увеличивается, давление и температура газов снижаются и при подходе поршня к НМТ составляют 0,2-0,4 МПа .

Порядок работы

Описанные этапы составляют рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя. Нужно понимать, что каких-либо строгих соответствий между тактами и процессами в поршневых двигателях нет. Это легко объяснить тем, что при эксплуатации силового агрегата фазы газораспределительного механизма и то, в каком состоянии находятся клапаны, будет накладываться на движения поршней в различных моторах совершенно по-разному.

В любом цилиндре рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя протекает именно таким образом. Каждая камера сгорания в двигателе нужна для вращения единственного коленчатого вала, воспринимающего усилие от поршней.

Это чередование называют порядком работы. Такой порядок задается на этапе конструирования силового агрегата через особенности распределительного и коленчатого валов. Он не изменяется в процессе эксплуатации механизма.

Реализация порядка работы осуществляется чередованием искр, которые поступают на свечи от системы зажигания. Так, четырехцилиндровый мотор может работать в следующих порядках – 1, 3, 4, 2 и 1, 2, 4, 3.

Узнать порядок, в котором работают цилиндры двигателя, можно из инструкции к автомобилю. Иногда порядок работы указан на корпусе блока.

Вот как протекает рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя или любого другого. Система питания никак не влияет на принцип действия агрегата. Разница лишь в том, что карбюратор – это механическая система питания, имеющая определенные недостатки, а в случае с инжекторами этих недостатков в системе нет.