Четырёхтактный двигатель

— поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за два оборота коленчатого вала, то есть за четыре хода поршня (такта). Начиная с середины XX века — наиболее распространённая разновидность поршневого ДВС, особенно в двигателях средней и большой мощности.
Работа четырёхтактного двигателя в разрезе. Цифрами обозначены такты

Порядок работы

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя происходит за четыре такта, каждый из которых составляет один ход поршня между мертвыми точками, при этом двигатель проходит следующие фазы:

• Впуск
  . Длится от 0 до 180° поворота кривошипа. При впуске поршень движется вниз от верхней мертвой точки, открыт впускной клапан. В цилиндре образуется разрежение, за счёт которого в него засасывается свежий заряд. При наличии нагнетателя смесь нагнетается в цилиндр под давлением.
• Такт сжатия
  . 180—360° поворота кривошипа. Поршень движется к ВМТ, при этом заряд сжимается поршнем до давления степени сжатия. За счёт сжатия достигается бо́льшая удельная мощность, чем могла бы быть у двигателя, работающего при атмосферном давлении (такого как двигатель Ленуара), за счёт того, что в небольшом объёме заключен весь заряд рабочей смеси. Кроме того, повышение степени сжатия позволяет увеличить КПД двигателя. В двигателях Отто любой конструкции сжимается горючая смесь, в дизелях — чистый воздух.

В конце такта сжатия происходит зажигание заряда в двигателях Отто или начало впрыска топлива в двигателях Дизеля.

• Рабочий ход
  360—540° кривошипа — движение поршня в сторону нижней мёртвой точки под давлением горячих газов, передаваемого поршнем через шатун коленчатому валу. В двигателе Отто при этом происходит процесс изохорного расширения, в дизеле за счёт продолжающегося горения рабочей смеси подвод теплоты продолжается столько, сколько длится впрыск порции топлива. Поэтому сгорание в дизеле обеспечивает процесс, близкий к адиабатному, расширение происходит при одинаковом давлении.
• Выпуск
  . 540—720° поворота кривошипа — очистка цилиндра от отработавшей смеси. Выпускной клапан открыт, поршень движется в сторону верхней мёртвой точки, вытесняя выхлопные газы.

В реальных двигателях фазы газораспределения подбираются таким образом, чтобы учитывалась инерция газовых потоков и геометрия трактов впуска и выпуска. Как правило, начало впуска опережает ВМТ от 15 до 25°, конец впуска отстает примерно на столько же от НМТ, так как инерция потока газов обеспечивает лучшее заполнение цилиндра. Выхлопной клапан опережает НМТ рабочего хода на 40 — 60°, при этом давление сгоревших газов к НМТ падает и противодавление на поршень при выхлопе оказывается ниже, что повышает КПД. Закрытие выхлопного клапана также относится за ВМТ впуска для более полного удаления выхлопных газов.

Так как процесс горения и распространение фронта пламени в двигателях Отто требуют определенного времени, зависящего от режима работы двигателя, а максимальное давление из соображений геометрии кривошипно-шатунного механизма желательно иметь от 40 до 45° от ВМТ начала рабочего хода, зажигание осуществляется с опережением — от 2 — 8° на холостом ходу до 25 — 30° на режимах полной нагрузки.

Рабочий процесс дизельного двигателя отличается от описанного выше тем, что заряд в камере сгорания — чистый воздух, нагретый от сжатия до температуры воспламенения. За некоторое время до ВМТ, называемое временем инициации

, в камеру сгорания начинает впрыскиваться жидкое топливо, распыленное до капель, каждая из которых подвергается
инициации
, то есть нагревается, испаряясь с поверхности, при испарении вокруг каждой из капель образуется и воспламеняется в горячем воздухе горючая смесь. Время инициации для каждого дизеля стабильно, зависит от особенностей конструкции и изменяется только с его изнашиванием, поэтому, в отличие от момента зажигания, момент впрыска в дизеле задается раз и навсегда при его конструировании и изготовлении. Так как смесь во всем объёме камеры сгорания в дизеле не образуется, а факел распыла форсунки занимает небольшой объём камеры, количество воздуха на каждый объём впрыснутого топлива должно быть избыточным, в противном случае процесс горения протекает не до конца, а выхлопные газы содержат большое количество недогоревшего углерода в виде сажи. Само горение длится столько времени, сколько длится впрыскивание данной конкретной порции топлива — от нескольких градусов после ВМТ на холостом ходу до 45-50° на режимах полной мощности. В мощных дизелях цилиндр может снабжаться несколькими форсунками.

Двигатели в кроссовых мотоциклах классифицируются по:

* По способу осуществления рабочего цикла — четырехтактные и двухтактные. Двухтактные двигатели обладают большей мощностью на единицу объёма, однако меньшим КПД. Поэтому двухтактные двигатели применяются там, где очень важны небольшие размеры, но относительно неважна топливная экономичность, например, на мотоциклах, небольших моторных лодках, бензопилах и моторизованых инструментах. Четырёхтактные же двигатели устанавливаются на абсолютное большинство остальных транспортных средств, в том числе и на мотоциклы;

* По способу охлаждения — на двигатели с жидкостным или воздушным охлаждением;

* По объему.

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя

Как следует из названия, рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх основных этапов — тактов.

1. Впуск. В течение этого такта поршень опускается из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). При этом кулачки распредвала открывают впускной клапан, и через этот клапан в цилиндр засасывается свежая топливно-воздушная смесь. 2. Сжатие. 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. 3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня). 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. 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 более современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику.

4. Выпуск. После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается и цикл начинается сначала.

Рабочий цикл двухтактного двигателя

В двухтактном двигателе рабочий цикл полностью происходит в течение одного оборота коленчатого вала. При этом от цикла четырёхтактного двигателя остаётся только сжатие и расширение. Впуск и выпуск заменяются продувкой цилиндра вблизи НМТ поршня, при которой свежая рабочая смесь вытесняет отработанные газы из цилиндра.

Более подробно о рабочем цикле двухтактного двигателя: когда поршень идёт вверх, происходит сжатие рабочей смеси в цилиндре. Одновременно, движущийся вверх поршень создаёт разрежение в кривошипной камере. Под действием этого разрежения открывается клапан впускного коллектора и свежая порция топливовоздушной смеси (как правило, с добавкой масла) засасывается в кривошипную камеру. При движении поршня вниз давление в кривошипной камере повышается и клапан закрывается. Поджиг, сгорание и расширение рабочей смеси происходят так же, как и в четырёхтактном двигателе. Однако, при движении поршня вниз, примерно за 60° до НМТ открывается выпускное окно (в смысле, поршень перестаёт перекрывать выпускное окно). Выхлопные газы (имеющие ещё большое давление) устремляются через это окно в выпускной коллектор. Через некоторое время поршень открывает также впускное окно, расположенное со стороны впускного коллектора. Свежая смесь, выталкиваемая из кривошипной камеры идущим вниз поршнем, попадает в рабочий объём цилиндра и окончательно вытесняет из него отработанные газы. При этом часть рабочей смеси может выбрасываться в выпускной коллектор. При движении поршня вверх часть свежей смеси вытолкнутой из выпускного коллектора засасывается назад в кривошипную камеру.

Стоит заметить, что двухтактный двигатель при том же объёме цилиндра, должен иметь почти в два раза большую мощность. Однако полностью это преимущество не реализуется, из-за недостаточной эффективности продувки по сравнению с нормальным впуском и выпуском. Мощность двухтактного двигателя того же литража, что и четырёхтактный больше в 1,5 — 1,8 раза.

Важное преимущество двухтактных двигателей — отсутствие громоздкой системы клапанов и распределительного вала.

Преимущества и недостатки 4-тактных и 2-тактных двигателей Преимущества четырёхтактных двигателей * Больший ресурс. * Большая экономичность. * Более чистый выхлоп. * Не требуется сложная выхлопная система. * Меньший шум. * Не нужно предварительно смешивать масло с бензином

Преимущества двухтактных двигателей* Отсутствие громоздких систем смазки и газораспределения у бензиновых вариантов. * Большая мощность в пересчёте на 1 литр рабочего объёма. * Проще и дешевле в изготовлении.

Топливная смесь для двухтактных двигателей

Для кроссовых мотоциклов производится специальное моторное масло, обычно имеющее маркировку Off road. Рекомендуется ипользовать дорогое, хорошее масло, т.к. это значительно увеличивает срок службы поршневой группы. Например, Motul 800 Off-road .

Пропорции смеси могут варьироваться от модели к модели, но для наших условий самое популярное отнощение 1:33 или 1:40. (Это значит, что на 5л бензина с высоким октановым числом (Аи98 или Аи95) требуется 120-150мл масла).

Смешивание лучше проводить предварительно, в чистой канистре, встряхивая ее до образования равномерной смеси. Большинство двухтактных масел имеют в своем составе специальный краситель, окрашивющий топливную смесь. Топливная смесь может считаться приготовленой, когда имеет ровный цвет красителя (указано на банке с маслом). Например, для масла Motul 800 — это красный цвет, для масел IPONE 2Т — оранжевый.

Главные особенности четырёхтактного двигателя

• Газообмен в цилиндре практически полностью обеспечивается перемещением рабочего поршня;
• Для переключения полости цилиндра на впуск и на выхлоп используется отдельный газораспределительный механизм;
• Каждая фаза газообмена выполняется во время отдельного полуоборота коленчатого вала;
• Привод систем газораспределения, зажигания и впрыска топлива должен вращаться с частотой вдвое меньшей, чем частота вращения коленчатого вала двигателя. Для этого могут применяться как шестерёнчатые редукторы, так цепная или ременная передача.

Первый такт — такт впуска

Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь. Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска. Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.

История

Цикл Отто

Идеализированный цикл Отто, показанный в координатах давление (Р) и объём (V): такт впуска(A) , представляющий собой изобарическое расширение; за ним следует такт сжатия (B) , представляющий собой адиабатический процесс. Далее следуют сжигание топлива, которое является изохорическим процессом, и адиабатическое расширение, характеризующие такт рабочего хода (C) . Цикл завершается изохорическим процессом и изобарическим сжатием, характеризующими такт выпуска (D) . TDC — верхняя мёртвая точка; BDC — нижняя мёртвая точка
Основная статья: Цикл Отто

Четырёхтактный двигатель впервые был запатентован Алфоном де Роше (англ.) в 1861 году. До этого около 1854—1857 годов два итальянца (Евгенио Барсанти и Феличе Матоцци) изобрели двигатель, который, по имеющейся информации, мог быть очень похож на четырёхтактный двигатель, однако тот патент был утерян.

Первым человеком, построившим первый практически используемый четырёхтактный двигатель, был немецкий инженер Николаус Отто. Поэтому четырёхтактный цикл известен как цикл Отто, а четырёхтактный двигатель, использующий свечи зажигания, называется двигателем Отто

.

Идеальный цикл Отто состоит из адиабатического сжатия, сообщения теплоты при постоянном объёме, адиабатического расширения и отдачи теплоты при постоянном объёме. В практическом четырёхтактном цикле Отто имеются также изобарическое сжатие (выхлоп) и изобарическое расширение (впуск), которые обычно не рассматриваются, так как в идеализированном процессе они не играют роли ни в сообщении рабочему газу теплоты, ни в совершении газом работы.

Это видеоролик о работе двигателя Отто. (2 мин 16 сек, 320×240, 340 кбит/с)

Газораспределительный механизм

Атрибутивный агрегат четырёхтактного двигателя, управляет газообменом при смене тактов, обеспечивая поочередное подключение полости цилиндра к впускному и выхлопному коллекторам.

Управление газораспределением может осуществляться:

МЕХАНИЧЕСКИ: — распределительным кулачковым валом или валами с клапанами; — цилиндрическими гильзовыми золотниками, движущимися возвратно-поступательно либо вращающимися в головке цилиндров; МИКРОПРОЦЕССОРОМ. В этом случае привод клапанов осуществляется непосредственно мощными быстродействующими электромагнитами (БМВ) или с использованием гидропривода (ФИАТ).

В первом случае клапанами управляет распределительный вал, вращающийся вдвое медленнее коленчатого вала. Распределительный вал имеет несколько кулачков, каждый из которых управляет одним впускным или выхлопным клапаном. От распредвалов часто приводятся дополнительные сервисные устройства двигателя — масляные, топливные насосы, распределитель зажигания, ТНВД, иногда — механические нагнетатели и др.

В разных двигателях используются один или несколько распределительных валов, расположенных возле коленвала, над рядом цилиндров или даже над каждым рядом клапанов. Привод распредвалов осуществляется от коленвала либо распределительными шестернями, либо пластинчато-роликовой цепью, либо зубчатым ремнем. В некоторых старых конструкциях использовались валики с коническими шестернями (В-2). В любом случае валы синхронизированы с частотами вращения 1 : 2.

В любом случае вал, расположенный рядом с коленчатым, называется нижним

, в головке над или рядом с клапанами —
верхним
. Клапаны по расположению относительно камеры сгорания также могут быть верхними — расположенными над донышком поршня, или нижними — расположены рядом с цилиндрами сбоку. Нижние клапаны приводятся от нижнего вала через короткие стаканообразные толкатели. Привод верхних клапанов от нижнего вала осуществляется, как правило, штанговым механизмом, от верхнего либо через рокеры (коромысла), либо через стаканообразные толкатели. Во многих двигателях используются гидравлические толкатели, автоматически выбирающие зазоры в клапанных парах и делающие механизм газораспределения необслуживаемым.

Клапан представляет собой стержень с тарелкой, выполненной из жаростойких материалов. Стержень клапана совершает возвратно-поступательные движения в направляющей втулке, тарелка коническим герметизирующим пояском ложится на клапанное седло, также выполняемое из жаростойких материалов. И седло, и направляющая втулка являются контактными поверхностями, через которые осуществляется охлаждение клапана. Особено важно это положение для выхлопных клапанов, которые постоянно работают в потоках горячих газов (а при неправильной установке зажигания или момента впрыска — в потоке пламени) и нуждаются в интенсивном теплоотводе. Поэтому для улучшения охлаждения внутри стержня клапана может располагаться полость с теплопроводным материалом — с натрием, с медью. А сами контактирующие поверхности должны быть гладкими и иметь минимально возможные зазоры. Многие клапаны имеют механизмы поворота, обеспечивающие принудительное вращение вокруг продольной оси в процессе работы.

Открытие клапана осуществляет соответствующий кулачок, закрытие — либо возвратна клапанная пружина/пружины, либо особый десмодромный механизм (Даймлер-Бенц), позволяющий из-за отсутствия пружин достичь очень высоких скоростей перемещения клапанов и, соответственно, существенно поднять обороты двигателя без существенного повышения усилий в механизме распределения. Дело в том, что чем слабее клапанная пружина, тем медленнее возврат клапана в седло. Уже при работе на относительно невысоких оборотах слабые пружины позволяют клапанам «зависать» и соприкасаться с поршнями (двигатели ВАЗ без внутреннего ряда клапанных пружин — на 5500-6000 об/мин). Чем сильнее клапанные пружины, тем большие напряжения испытывают детали ГРМ и тем более качественное масло должно использоваться для его смазки. Десмодромный механизм позволяет перемещать клапана с такой скоростью, которая ограничена только моментом их инерции, то есть, существенно более высокой, чем достижимые для клапанов скорости в реальных двигателях.

Электромагнитное или электрогидравлическое управление с микропроцессором, сверх этого, позволяет легко корректировать фазы газораспределения двигателя, добиваясь наивыгоднейшей характеристики распределения на каждом режиме.

Некоторые ранние модели двигателей («Харлей-Дэвидсон», «Пежо») имели впускные клапаны со слабыми пружинами, обеспечивавшими «автоматическое» открывание клапана после начала впуска под действием вакуума над поршнем.

Для коррекции фаз газораспределения в ГРМ с распредвалами используются разного рода дифференцирующие механизмы, их конструкция зависит от компоновки двигателя и ГРМ (которая во многом определяет компоновку всего ДВС).

Системы смазки и охлаждения

Работа ДВС сопровождается выделением значительного количества теплоты из-за высоких температур рабочих газов и существенных контактных напряжений в трущихся деталях. Поэтому для обеспечения работы двигателя детали, образующие пары трения, необходимо охлаждать и смазывать, а из зазоров между ними вымывать продукты механического износа. Смазывающее масло, помимо обеспечения масляного клина в зазорах, отводит значительное количество тепла от нагруженных трущихся поверхностей. Для охлаждения гильз цилиндров и элементов головки двигателя дополнительно используется система принудительного охлаждения, которая может быть жидкостной и воздушной.

Система смазки двигателя состоит из ёмкости с маслом, в таком качестве часто используется поддон картера — в системе с масляным картером

или отдельный масляный бак — в
системе с сухим картером
. Из ёмкости масло засасывается
масляным насосом
, шестерёнчатым или, реже, коловратным, и по каналам поступает под давлением к пáрам трения. В системе с масляным картером гильзы цилиндров и некоторые второстепенные детали смазываются разбрызгиванием, системы с сухим картером предусматривают наличие специальных лубрикаторов, обеспечивающих смазку и охлаждение этих же деталей. В двигателях средней и большой мощности в систему смазки включаются элементы масляного охлаждения поршней в виде залитых в донышки змеевиков или специальных форсунок, обливающих днище поршня со стороны картера. Как правило, система смазки содержит один или несколько фильтров для очистки масла от продуктов износа пар трения и осмоления собственно масла. Фильтры используются либо с картонной шторкой с определённой степенью пористости, либо центробежные. Для охлаждения масла часто применяют воздушно-масляные радиаторы или водомасляные теплообменники.

Система воздушного охлаждения в простейшем случае представлена просто массивным оребрением цилиндров и головок. Набегающий поток воздуха снаружи и масло изнутри охлаждает двигатель. Если обеспечить теплоотвод набегающим потоком невозможно, в систему включается вентилятор с воздуховодами. Наряду с таким неоспоримыми достоинствами, как простота двигателя и относительно высокая живучесть в неблагоприятных условиях, а также относительно меньшая масса, воздушное охлаждение имеет серьёзные недостатки:

— большое количество воздуха, продувающего двигатель, несёт большое количество пыли, которая оседает на оребрении, особенно при подтекании масла, неизбежном в эксплуатации, в результате эффективность охлаждения резко снижается;

— невысокая теплоёмкость воздуха заставляет продувать через двигатель существенные его объёмы, для чего требуется существенный отбор мощности для работы вентилятора охлаждения;

— форма деталей двигателя плохо соответствует условиям хорошего обтекания воздушным потоком, в связи с чем добиться равномерного охлаждения элементов двигателя очень трудно; из-за разницы рабочих температур в отдельных элементах конструкции возможны большие термические напряжения, что снижает долговечность конструкции.

Поэтому воздушное охлаждение применяется в ДВС нечасто и, как правило, либо на дешевых конструкциях, либо в тех случаях, когда работа двигателя протекает в особых условиях. Так, на транспортёре переднего края ЗАЗ-967 используется двигатель с воздушным охлаждением МеМЗ-968, отсутствие водяной рубашки, рукавов и радиатора охлаждения повышает живучесть транспортёра в условиях поля боя.

Жидкостное охлаждение имеет ряд преимуществ и применяется на ДВС в большинстве случаев. Преимущества:

— высокая теплоёмкость жидкости способствует быстрому и эффективному отводу тепла из зон теплообразования;

— гораздо более равномерное теплораспределение в элементах конструкции двигателя, что существенно снижает тепловые напряжения;

— использование жидкостного охлаждения позволяет быстро и эффективно регулировать поток тепла в системе охлаждения и, стало быть, быстрее и гораздо равномернее, чем в случае с воздушным охлаждением, прогревать двигатель до температур рабочего диапазона;

— жидкостное охлаждение позволяет увеличивать как линейные размеры деталей двигателя, так и его теплонапряжённость за счёт высокой эффективности теплоотведения; поэтому все средние и крупные двигатели имеют жидкостное охлаждение, за исключением ПДП-двухтактных двигателей, у которых зона продувочных окон гильз охлаждается продувочным воздухом из соображений компоновки;

— специальная форма водо-воздушного или водо-водяного теплообменника позволяет максимально эффективно передавать тепло двигателя в окружающую среду.

Недостатки водяного охлаждения:

— повышение веса и сложность конструкции двигателя из-за наличия водяной рубашки;

— наличие теплообменника/радиатора;

— снижение надёжности агрегата из-за наличия стыков рукавов, шлангов и патрубков с возможными течами жидкости;

— обязательное прекращение работы двигателя при потере хотя бы части охлаждающей жидкости.

Современные системы жидкостного охлаждения используют в качестве теплоносителя специальные антифризы, замерзающие при низких температурах и содержащие пакеты присадок разного назначения — ингибиторы коррозии, моющие, смазывающие, антипенные, а иногда и герметизирующие места возможных течей. С целью повышения КПД двигателя системы герметизируют, при этом повышая рабочий диапазон температур к области кипения воды. Такие системы охлаждения работают при давлении выше атмосферного, их элементы рассчитаны на поддержание повышенного давления. Этиленгликолевые антифризы имеют высокий коэффициент объёмного расширения. Поэтому в таких системах часто применяются отдельные расширительные бачки или радиаторы с увеличенными верхними бачками.

С целью стабилизации рабочей температуры и для ускорения прогрева двигателя в системы охлаждения устанавливают термостаты. Для воздушного охлаждения термостат — сильфон, заполненный церезином или этиловым спиртом в сочетании с обоймой и системой рычагов, поворачивающих заслонки, обеспечивающие переключение и распределение воздушных потоков. В системах жидкостного охлаждения точно такой же термоэлемент осуществляет открытие клапана или переключение системы клапанов, направляющих жидкость либо в радиатор, либо в специальный канал, обеспечивающий циркуляцию нагреваемой жидкости и равномерное прогревание двигателя.

Радиатор или теплообменник охлаждения имеет вентилятор, продувающий через него поток атмосферного воздуха, с гидростатическим или электрическим приводом.

Общее устройство и рабочий цикл двигателя

В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает непосредственно внутри цилиндров двигателя, и тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании, преобразуется в механическую работу.

Типы двигателей внутреннего сгорания >>

По рабочему процессу двигатели разделяются на четырех­тактные и двухтактные, а по способу приготовления го­рючей смеси и ее воспламенения на карбюраторные и ди­зельные.

Основной его частью является цилиндр с укрепленной на нем съемной головкой. Цилиндр и его головка имеют рубашку охлажде­ния, которая является составной частью системы охлаждения двига­теля. В резьбовое отверстие головки цилиндра ввернута свеча за­жигания, воспламеняющая смесь при помощи электрической искры. Внутри цилиндра помещен поршень, в верхней части которого уста­новлено несколько поршневых колец для уплотнения. С помощью поршневого пальца поршень шарнирно соединен с кривошипом колен­чатого вала, который вращается в подшипниках, установленных в верхней части картера. На заднем конце коленчатого вала укреплен ма­ховик, который служит для повышения равномерности вращения ко­ленчатого вала. В нижнюю часть картера (поддон) заливают масло для смазки трущихся деталей двигателя.

Приготовленная в карбюраторе смесь поступает в цилиндр через впускной клапан. Отработавшие газы удаляются в атмосферу через выпускной клапан. Клапаны открываются при набегании на тол­катели кулачков распределительного вала, который приводится во вращение от коленчатого вала распределительными шестернями. При сбегании кулачков клапаны закрываются под действием пружин.

Как видно из вышесказанного, двигатель состоит из кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, систем охлаж­дения, смазки, питания и зажигания.

Совокупность процессов, периодически повторяющихся в опре­деленной последовательности в цилиндре двигателя во время его ра­боты, называется рабочим циклом.

Карбюраторные двигатели автомобилей четырехтактные. В четы­рехтактном двигателе рабочий цикл совершается за четыре такта — впуск, сжатие, рабочий ход (сгорание и расширение) и выпуск.

Тактом называется процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня.

Ходом поршня называется путь, проходимый поршнем от одной мертвой точки до другой.

Мертвыми точками называются крайние верхние и нижние положения поршня. Верхняя мертвая точка сокращенно обоз­начается в. м. т., нижняя мертвая точка — н. м. т.

Рабочий объем цилиндра — объем, освобождаемый поршнем при движении от в. м. т. до н. м. т. Сумма рабочих объемов всех цилиндров называется литражом двигателя.

Объем камеры сгорания (ее иногда называют так­же камерой сжатия) — объем над поршнем, находящимся в в. м. т.

Полный объем цилиндра — рабочий объем цилиндра плюс объем камеры сгорания.

Степень сжатия — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания. Степень сжатия выражается отвлечен­ным числом, показывающим, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания.

Индикаторная мощность — мощность, развиваемая газами, расширяющимися в цилиндрах двигателя (без учета потерь).

Эффективная мощность — мощность, развиваемая на коленчатом валу двигателя. Такая мощность на 10 — 15% меньше инди­каторной за счет потерь на трение в двигателе и приведение в движе­ние всех вспомогательных механизмов.

Литровой мощностью называется наибольшая эффек­тивная мощность, получаемая с одного литра рабочего объема (лит­ража)цилиндров двигателя.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя протекает следующим образом:

1-й такт — впуск. При движении поршня от в. м.т.к.н.м.т. (вниз) в цилиндре за счет увеличения объема создается разрежение 0,8 — О,У кгс/см² , под действием которого из карбюратора через открывающийся впускной клапан в цилиндр поступает горючая смесь — смесь паров бензина с воздухом. В цилиндре горючая смесь смешивается с оставшимися в нем от предшествующего рабочего цикла отработавшими газами и образует рабочую смесь

2-й такт — сжатие. Поршень движется от н. м. т. к в. м. т. (вверх), при этом оба клапана закрыты. Так как объем в цилиндре уменьшается, происходит сжатие рабочей смеси в 6,5 — 6,7 раза;

3-й такт — рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется электрической искрой и быстро сгорает. При этом выделяется много тепла и газы, расширяясь, создают сильное давление на поршень, перемещая его вниз. Сила давления газов от поршня передается через поршневой палец и шатун на коленчатый вал, образуя на нем определенный крутящий момент. Во время рабочего хода тепловая энергия преобразуется в механическую работу.

4-й такт — выпуск. После совершения полезной работы поршень движется от н.м.т.к.в.м.т. (вверх) и выталкивает отработавшие газы наружу через открывающийся выпускной клапан.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя >>

Для получения равномерного вращения коленчатого вала делают многоцилиндровые двигатели.

На изучаемых отечественных автобусах установлены восьмицилиндровые карбюраторные двигатели внутреннего сгорания. За два оборота коленчатого вала происходит восемь рабочих ходов.

Рабочий процесс дизельных двигателей отличается от рабочего процесса карбюраторных двигателей.

Если в цилиндры карбюраторных двигателей поступает горючая смесь, состоящая из паров топлива с воздухом, то в цилиндры дизельных двигателей поступает только воздух, который при высокой степени сжатия (16,5) приобретает температуру выше температуры самовоспламенения топлива; топливо впрыскивается в цилиндры под высоким давлением и самовоспламеняется без подачи искры.

Чередование тактов дизельных четырехтактных двигателей протекает в такой же последовательности, как и карбюраторных, но по­казатели давления и температуры другие. В этом можно убедиться при рассмотрении рабочего процесса дизельного четырехтактного двигателя.

Рабочий цикл одноцилиндрового четырехтактного дизельного двигателя включает следующие такты.

Впуск — поршень перемещается вниз (от головки цилиндров). Впускной клапан открыт. Из выпускного трубопровода поступает чис­тый воздух. Давление в цилиндре в конце впуска 0,85 — 0,90 кн./см², температура 40 — 60° С.

Сжатие. Поршень перемещается вверх. Оба клапана закрыты. Происходит сжатие воздуха в 16 — 17 раз, давление возрастает до 40 — 42 кгс/см2, температура до 740 — 800°С

Рабочий ход. В конце такта сжатия через форсунку под высоким давлением впрыскивается в мелкораспыленном состоянии тяжелое дизельное топливо. Под действием высокой температуры оно воспламеняется, выделяя большое количество тепла и создавая вы­сокое давление. Температура достигает 1800 — 2000° С, а давление 80 — 90 кгс/см2.

Под действием давления газов поршень перемещается вниз и приводит во вращение коленчатый вал. В конце такта расширения давле­ние газов снижается до 2 — 4 кгс/см2, температура до 800 — 1100° С.

Выпуск. При такте выпуска выпускной клапан открыт, поршень поднимается вверх и выталкивает газы из цилиндра. Давление к концу выпуска падает до 1,05 — 1,15 кгс/см2, а температура до 200 — 300° С

При дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля >>

Для дизельного двигателя используют более тяжелое дешевое топливо. Недостатками дизельного двигателя являются: повышенный шум при работе, необходимая высокая точность приборов питания и увеличенная масса.

Работа многоцилиндровых двигателей и их показатели >>

Баланс энергии

Двигатели Отто имеют термический КПД около 40 %, что с механическими потерями дает фактический КПД от 25 до 33%.

Современные двигатели могут иметь уменьшенный КПД для удовлетворения высоких экологических требований.

КПД ДВС можно повысить с помощью современных систем процессорного управления топливоподачей, зажиганием и фазами газораспределения. Степень сжатия современных двигателей, как правило, имеет значения, близкие к предельным (спорный момент, см. Цикл Миллера).

Факторы, влияющие на мощность двигателя

Четырёхтактный цикл 1=верхняя мёртвая точка 2=нижняя мёртвая точка A: такт впускаB: такт сжатияC: такт рабочего ходаD: такт выпуска
Мощность поршневого двигателя зависит от объёма цилиндров, объёмным КПД, потерь энергии — газодинамических, тепловых и механических, степени сжатия топливо-воздушной смеси, содержания кислорода в воздухе и частоты вращения. Мощность двигателя зависит также от пропускной способности тактов всасывания и выхлопа, а значит, от их проходных сечений, длины и конфигурации каналов, а также от диаметров клапанов, больше впускных. Это справедливо для любых поршневых двигателей. Максимальная мощность ДВС достигается при наивысшем наполнении цилиндров. Частота вращения коленвала в конечном счёте ограничена прочностью материалов и свойствами смазки. Клапана, поршни и коленчатые валы испытывают больши́е динамические нагрузки. На высоких оборотах двигателя могут происходить физические повреждения поршневых колец, механический контакт клапанов с поршнями, что приводит к разрушению двигателя. Поршневые кольца вертикально колеблются в канавках поршней. Эти колебания ухудшают уплотнение между поршнем и гильзой, что приводит к потере компрессии, падении мощности и КПД в целом. Если коленвал вращается слишком быстро, клапанные пружины не успевают достаточно быстро закрывать клапана. Это может привести к контакту поршней с клапанами и вызывать серьёзные повреждения, поэтому на скоростных спортивных двигателях используют привод клапанов без возвратных пружин. Так, «Даймлер-Бенц» серийно выпускает моторы с десмодромным управлением клапанами (с двойными кулачками, один открывает клапан, другой прижимает его к седлу), БМВ использует электромагнитное управление клапанами. На высоких скоростях ухудшаются условия работы смазки во всех парах трения.

Совокупно с потерями на преодоление инерции возвратно-поступательно движущихся элементов ЦПГ, это ограничивает среднюю скорость поршней большинства серийных двигателей 10 м/с.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех основных этапов – тактов:

1. Впуск.

На этом такте происходит перемещение поршня из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю (НМТ). Кулачки распределительного вала открывают впускной клапан, через который в цилиндр всасывается новая горючая смесь.

2. Сжатие.

Поршень переходит в прежнее состояние (из НМТ в ВМТ), сжимая при этом рабочую смесь. Согласно термодинамике, температура рабочей смеси увеличивается. Степенью сжатия называется отношение рабочего объема цилиндра в НМТ к объему камеры сгорания в ВМТ. Это очень важный параметр, на практике, чем он больше, тем экономичнее двигатель. Однако и тут есть противоречия, для двигателей с высокой степенью сжатия требуется особенное топливо, с более высоким октановым числом, которое стоит дороже.

3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня).

Перед завершением цикла сжатия смесь топлива и воздуха поджигается искрой от свечи зажигания. Топливо сгорает во время движения поршня из ВМТ в НМТ, образуется газ, который расширяется, толкая поршень. Углом опережения зажигания называется степень «недоворота» коленвала двигателя до ВМТ при поджигании смеси. Необходимость преждевременного зажигания обосновывается тем, что процесс воспламенения горючей смеси медленный относительно скорости работы поршневых систем двигателя. Только в том случае, когда основная масса топлива успеет воспламениться, польза от использования энергии сгоревшего топлива будет максимальной. Процесс сгорания топлива занимает фиксированное время, поэтому, при повышении оборотов двигателя, необходимо увеличивать угол опережения зажигания, для повышения эффективности работы двигателя. Раньше, в старых автомобилях, использовалось механическое устройство (центробежный и вакуумный регулятор, который воздействовал на прерыватель). Сейчас в автомобилях установлена электроника, которая отвечает за определение угла опережения зажигания, работающая по емкостному принципу.

4. Выпуск.

В последнем такте происходит вытеснение отработанных газов из цилиндра через выпускной клапан. Поршень перемещается из нижней мертвой точки в верхнюю, при достижении которой цикл начинается сначала. При этом совсем не необходимо, чтобы начало нового цикла совпадало с окончанием предыдущего. Положение, в котором открыты сразу два клапана: впускной и выпускной, называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов способствует лучшему наполнению цилиндров топливом, а также более качественной очистки цилиндров от продуктов сгорания.

Применение

Четырёхтактные двигатели могут быть как бензиновыми, так и дизельными. Они находят самое широкое применение в качестве первичных двигателей на стационарных и транспортных энергоустановках.

Как правило, четырёхтактные двигатели используются в тех случаях, когда имеется возможность более или менее широко варьировать соотношение оборотов вала со снимаемой мощностью и крутящим моментом либо тогда, когда это соотношение не играет роли при работе машины. Например, двигатель, нагруженный электрогенератором, в принципе может иметь любую рабочую характеристику и согласуется с нагрузкой только по рабочему диапазону оборотов, которые в принципе могут быть любыми, приемлемыми для генератора. Использование промежуточных передач вообще делает четырёхтактный двигатель более адаптированным к нагрузкам в самых широких пределах. Они же являются более предпочтительными в тех случаях, когда установка длительное время работает вне установившегося режима — благодаря более совершенной газодинамике их работа в переходных режимах и режимах со снятием частичной мощности оказывается более устойчивой.

При работе на вал в заданном диапазоне оборотов, особенно тихоходный (гребной вал теплохода), предпочтительнее использование двухтактных двигателей, как имеющих более выгодные массово-мощностные характеристики на низких оборотах.