Принцип работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

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.

Устройство двухтактного двигателя и принцип его работы

Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) широко используются в разных сферах человеческой жизни. Однако не все они работают одинаково. Между ними есть одно принципиальное отличие. В зависимости от конструкции рабочий цикл двигателя может состоять из двух или четырёх тактов. Поэтому и называется он соответственно двухтактным двигателем или четырехтактным. Это справедливо как для бензинового мотора, так и для дизеля.

Основные термины и определения

Принцип работы всех поршневых двигателей заключается в превращении энергии сгорания топлива в механическую энергию. Передаточным звеном является кривошипно-шатунный механизм. Для описания их работы используются следующие понятия:

• Рабочий цикл — это определённая последовательность взаимосвязанных событий, вследствие которых происходит преобразование энергии теплового расширения сгорающего топлива в механическую энергию перемещения поршня и поворота коленчатого вала.
• Такт — последовательность изменения состояния узлов и механизмов, происходящая в течение одного хода поршня.
• Ход поршня — это расстояние, которое проходит поршень внутри цилиндра между его крайними точками.
• Верхняя мёртвая точка (ВМТ) — это наивысшее положение поршня в цилиндре, при этом объем камера сгорания имеет минимальный объем.
• Нижняя мёртвая точка (НМТ) — максимально удалённое от ВМТ положение поршня.
• Впуск — заполнение цилиндра топливовоздушной смесью.
• Сжатие — уменьшение объёма смеси и сжатие её под давлением поршня.
• Рабочий ход — перемещение поршня под давлением газов сгорающего топлива.
• Выпуск — выталкивание из цилиндра продуктов горения топлива.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Четырехтактным называется такой поршневой двигатель, в котором один рабочий цикл состоит из четырёх тактов. Они имеют следующие названия:

За один цикл поршень два раза двигается от ВМТ к НМТ и обратно, а коленчатый вал проворачивается на два полных оборота. События, которые происходят за это время в двигателе, имеют чётко определённую последовательность.

Впуск. Поршень перемещается вниз, к НМТ. Под ним образуется разрежение, благодаря которому через открытую тарелку впускного клапана из впускного коллектора в цилиндр затягивается топливо, смешанное с воздухом. Поршень проходит нижнюю мёртвую точку, после чего впускной клапан закрывает впускной коллектор.

Такт сжатия. Продолжающий двигаться вверх поршень сжимает воздушную смесь.

В верхней мёртвой точке над поршнем происходит поджог горючей смеси. Сгорая, оно вызывает значительное увеличение давления на поршень. Начинается такт рабочего хода. Под действием давления сгорающих газов поршень снова движется к НМТ, выполняя при этом полезную работу.

После прохождения поршнем НМТ открывается тарелка выпускной клапан. Поршень, двигаясь к ВМТ, выталкивает выхлопные газы в выпускной коллектор. Это такт выпуска.

Затем снова начинается такт впуска и так бесконечно.

Рабочий цикл из двух тактов

Одноцилиндровый двухтактный двигатель работает по-другому. Здесь все четыре действия происходят за один полный оборот коленвала. При этом поршень делает только два такта (расширения и сжатия), двигаясь от ВМТ к НМТ и обратно. А впуск и выпуск являются частью этих двух тактов. Подробней принцип работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания можно описать следующим образом.

Газы от сгорания топливной смеси толкают поршень вниз от ВМТ. Примерно на середине хода поршня в гильзе цилиндра открывается выпускное отверстие, через которое часть газов выбрасывается в патрубок глушителя. Продолжая двигаться вниз, поршень создаёт давление, благодаря которому в цилиндр поступает новая порция топлива, одновременно продувая его от остатков сгоревших газов. Подходя к ВМТ, поршень сжимает смесь и система зажигания воспламеняет её. Снова начинается такт расширения.

В авиамоделестроении широко используется двухтактный дизельный двигатель, его принцип работы тот же, что и у бензинового. Разница в том, что смесь топлива с воздухом самостоятельно воспламеняется в конце цикла сжатия. Горючим для таких моторов служит смесь эфира с авиационным керосином. Воспламенение этого горючего происходит при гораздо меньшей степени сжатия, чем у двигателей на традиционном дизельном топливе.

Конструктивные особенности и различия

Двухтактный двигатель отличается от четырехтактного не только тем, за сколько тактов работы происходит газообмен.

Четырехтактный требует наличия системы газораспределения (впускные и выпускные клапаны, распределительный вал с кулачковым механизмом и т. д. ). В двухтактном такой системы нет, благодаря этому он гораздо проще.

Двигатель с четырьмя тактами работы требует полноценной системы смазки из-за большого количества движущихся и трущихся частей. Для смазки двигателя с двумя тактами работы можно использовать масло просто разводя его вместе с топливом.

Эксплуатационные показатели в сравнении

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Однотактные и трехтактные силовые агрегаты

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

4 Тактный двигатель: принцип работы

4 тактный двигатель является поршневым мотором внутреннего сгорания. В этих агрегатах рабочий процесс всех цилиндров занимает два кругооборота коленчатого вала. Два кругооборота коленчатого вала также можно охарактеризовать как четыре поршневых такта, от чего и произошло название четырехтактный двигатель.

Начиная с середины двадцатого века четырехтактный двигатель является самым распространенным видом поршневых моторов внутреннего сгорания.

Основные характеристики 4 тактного двигателя

1. Обмен газов происходит за счет движения рабочего поршня;
2. 4 тактный двигатель обладает газораспределительным механизмом, который позволяет переключить цилиндровую полость на впуск и выпуск;
3. Обмен газов происходит в момент отдельного полуоборота коленвала;
4. Цепная, ременная передача и шестеренчатые редукторы позволяют изменить моменты зажигания, впрыскивания бензина и привода газораспределительного механизма относительно частоты верчения коленвала.

История

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

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

4 тактный двигатель принцип работы

В двухтактном моторе смазывание коленвала, цилиндровых и поршневых пальцев, подшипника коленвала, поршня и компрессионных колец происходит путем заливки масла в бензин. 4 тактный мотор отличается тем, что в нем коленчатый вал расположен в масляной ванне. За счет этой особенности необходимость в добавлении масла или смешивании топлива попросту отсутствует. Все, что нужно сделать владельцу транспортного средства – это наполнить топливный бак бензином, после чего можно продолжать пользоваться транспортом.

Таким образом, автовладельцу становится незачем приобретать специальное масло, которое нужно для функционирования двухтактных моторов. Помимо этого, 4 тактный мотор отличается уменьшенным количеством нагара на стенах глушителя и поршневом зеркале. Еще одним важным отличием является то, что при двухтактном моторе совершается выплеск горючей смеси в выхлопную трубу – это обусловлено его устройством.

Стоит признать, что четырехтактные двигатели также обладают небольшими недостатками. К примеру, у таких двигателей повышенная длительность старта скутера с места. Также не особо качественными являются работы по регулированию клапанного теплового зазора. При этом следует отметить, что проблему с повышенной длительностью старта скутера можно решить оптимизацией опций центробежного сцепления и передачи.

Конструкция агрегата

Устройство 4 тактного двигателя выглядит таким образом: распредвал размещен в крышке цилиндра и приводится в действие с помощью ведущего колеса, вмонтированного на коленчатом вале. В устройстве 4 тактного двигателя распределительный вал способен открывать и закрывать впускной и выпускной клапан, но лишь один из них, а какой конкретно – зависит от расположения поршня. Помимо этого, на распределительном вале расположены кулачки, с помощью которых приводятся в действие коромысла клапанов.

После своего срабатывания коромысла начинают воздействовать на один из двух клапанов, что приводит к его открытию. Стоит отметить, что между клапаном и регулировочным винтом должен быть узкий промежуток (его еще называют тепловым зазором) – во время нагрева происходит расширение металла, поэтому в случае неимения или слишком маленького размера зазора клапаны не смогут полностью закрыть каналы впуска и выпуска. Зазор при клапане выпуска должен быть большего размера, чем у клапана впуска, поскольку газы выхлопа более горячие, нежели горючая смесь, и, соответственно, это приводит к тому, что клапан выпуска нагревается больше клапана впуска.

Вот и все описание устройства 4 тактного двигателя.

Работа 4 тактного двигателя

Как уже было сказано, работа 4 тактного двигателя состоит из двух оборотов коленвала или, еще можно сказать, четырех тактов поршня.

Работа 4 тактного двигателя происходит таким образом:

1. (впуск). Поршень продвигается в нижнюю сторону, что приводит к открытию клапана впуска. В итоге горючая смесь оказывается в цилиндре, куда она попадает из карбюратора. По достижению поршнем нижнего положения совершается закрытие клапана впуска.
2. (сжатие). Поршень передвигается в верхнюю сторону, что провоцирует сжимание горючей смеси. После того, как поршень приближается к верхней мертвой точке, совершается возгорание сжатого поршнем бензина.
3. (расширение). Происходит возгорание бензина, в результате которого он сгорает – это приводит к растяжению горючих газов и, соответственно, к движению поршня вниз (два клапана оказываются закрытыми).
4. (выпуск). По инерции коленчатый вал продолжает кругооборот вокруг своей оси, а поршень – продвигаться вверх. Вместе с этим происходит открытие клапана выпуска, откуда выхлопные газы попадают в трубу. Когда поршень доходит до верхней мертвой точки, совершается закрытие клапана впуска.

По окончанию работы 4 тактного двигателя четыре такта проходят заново.

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.

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.

Двигатель внутреннего сгорания. Устройство и принцип работы.

Уже на протяжении одного века двигатель внутреннего сгорания используется в транспортных средствах довольно успешно, благодаря своей экономичности.

Что такое двигатель внутреннего сгорания автомобиля и его особенности?

Двигатель внутреннего сгорания имеет одно существенное преимущество, ведь при его задействовании нет необходимости использовать прочие носители. Воспламенение топлива производится прямо внутри рабочей камеры.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что при работе камере сжигается топливо, а также расширяются газы. Так образовывается избыточное давление. Именно оно воздействует на поршень, заставляя его двигаться.

Какие есть двигателя внутреннего сгорания? Классификация двигателей внутреннего сгорания.

Двигатели внутреннего сгорания различаются по типам. Давайте разберем типы двигателей внутреннего сгорания:

• Поршневые;
• Роторно-поршневые;
• Газотурбинные;
• Дизельные.

Существуют различные виды двигателей внутреннего сгорания и производительность каждого отличается друг от друга. Как работает каждый вид?

Поршневые

Механическая работа формируется при использовании кривошипно-шатунного механизма. При его воздействии, движение передается на коленвал.

В карбюраторных двигателях формирование воздушно-топливной смеси производится в карбюраторе, после чего она перераспределяется в цилиндр.

В инжекторных двигателях регулировкой подачи топлива занимается ЭБУ. Распределение топлива осуществляется во впускной коллектор, попадая туда через форсунки.

Роторно-Поршневые

Механическая работа формируется при использовании ротора. Он выполняет работу газораспределительного механизма, коленвала, а также поршней.

Газотурбинные

В этих моторах механическая работа формируется также при использовании ротора. Он при вращении заставляет двигаться турбинный вал.

Дизельные

При впрыске топлива используются форсунки. Однако для воспламенения этим моторам не требуется свеча. Под температурой происходит нагревание сжатого воздуха. Температура же обязательно должна быть больше, чем температура горения.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Работа двигателя внутреннего сгорания выполняется с помощью:

• блока цилиндров;
• системы удаления выхлопных газов;
• газораспределительного механизма;
• система впрыска и зажигания топливно-воздушной смеси;
• кривошипно-шатунного механизма.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Поршневой двигатель в своей работе является цикличным. Цикл может производить около ста тактов в одну минуту, что позволяет коленвалу непрерывно вращаться.

Такт двигателя внутреннего сгорания — это ход поршня. То есть поршень двигается именно либо вверх, либо вниз.
Цикл — это последовательность тактов, которые постоянно повторяются.

Также существуют 2 типа поршневых ДВС, — это 2-тактные моторы и 4-тактные.

Принцип работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания

Как только водитель заводит автомобиль, тут же начинают двигаться поршни. Они всегда двигаются по направлению либо вверх, либо вниз. Изначально поршень начинает движение вниз. Когда он касается нижней мертвой точки и меняет свое направление, то в цилиндр, а именно в камеру сгорания начинает проходить подача топлива. Когда поршень поднимается вверх, топливо начинает сжиматься.

От свечей зажигания образовывается искра. И когда поршень доходит до верхней стадии, то происходит воспламенение топливной смеси. В дальнейшем пары расширяются и заставляют поршень двигаться вниз.

Двухтактные двигатели неэффективны по сравнению с четырехтактными, поскольку при удалении отработавших газов теряется мощность.

Вся маломощная техника использует именно 2-тактные моторы.

Принцип работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

Все автомобили, которые используются в 21 веке уже имеют 4-тактные моторы.

Четырехтактный двигатель отличается от двухтактного тем, что при осуществлении впуска/выпуска топливно-горючей смеси, а также отработанных газов никак не совмещаются со сжатием/расширением, а работают как отдельные процессы.