Двигатель четырехтактный внутреннего сгорания: устройство и порядок работы

История создания

В 18 веке многие изобретатели работали над созданием силовых агрегатов, способных заменить паровую машину. Появление устройств, топливо в которых сгорало бы не в топке, а прямо в цилиндре мотора стало возможным после того, как французский изобретатель Филипп Лебон в 1799 году открыл светильный газ. Через два года он же сконструировал газовый силовой агрегат, где газовоздушная смесь воспламенялась в цилиндре. Он имел 1 рабочий цилиндр двойного действия (камеры сгорания находились с двух сторон поршня, и рабочая смесь в них поджигалась поочередно). И только много лет спустя появился более совершенный двигатель четырехтактный, нашедший широкое применение во многих отраслях промышленности.

Впервые такой двигатель продемонстрировал немецкий инженер Август Отто в 1877 году. Произошло это после того, как бельгийский изобретатель Жан Этьен Ленуар предложил воспламенять горючую смесь с помощью электрической искры. Способствовало его появлению и изобретение устройства, позволяющего испарять жидкое топливо и обеспечивать подготовку рабочей газовоздушной смеси (карбюратор).

К серийному производству четырехтактных бензиновых двигателей приступили в 1883 году. Тогда немецкий инженер Готлиб Даймлер предложил для воспламенения газовоздушной смеси использовать раскаленные трубки, вставленные внутрь цилиндров.

Как четырехтактные двигатели попали в автомобилестроение

Инженер Готлиб Даймлер, который трудился в компании Отто, первым понял потенциал изобретения своего шефа для частного транспорта, и предложил на создать на базе конструкции автомобиль. Отто не был впечатлен идеями подчиненного: Даймер в 1880 году был уволен вместе со своим другом — конструктором Вильгельмом Майбахом и открыл свою компанию.

В 1886 году независимо друг от друга компания Daimler и другой немецкий инженер Карл Бенц представили обществу модели самоходного автомобиля, основанные на ДВС Отто, на принципе которого функционирует и большинство современных машин, кроме электрокаров.

С 1895 года автомобили Daimler-Motoren-Gesellschaft начали продавать и в России.

Применение в настоящее время

Четырёхтактные двигатели бывают бензиновыми и дизельными. Применяются эти двигатели на транспортных или стационарных энергоустановках. Использовать такой двигатель рекомендуется в случаях, когда есть возможность регулировать соотношение оборотов, мощности и крутящего момента.

Например, если двигатель, работает в паре с электрогенератором, то нужно выдерживать нужный диапазон оборотов. А при использование промежуточных передач, четырёхтактный двигатель можно адаптировать к нагрузкам в достаточно широких пределах. То есть использовать в автомобилях.

Вернёмся к истокам его создания. В группе изобретателя Отто работал очень талантливый инженер Готлиб Даймлер, он понял что значит четырехтактный двигатель, его перспективы развития, и предложил на базе четырёхтактного двигателя построить автомобиль. Но шеф не посчитал нужным что-то менять в двигателе, и Даймлер, увлеченный своей идеей, покинул мэтра.

И через некоторое время, вместе с другим энтузиастом Карлом Бенцом в 1889 году создали автомобиль, который приводился в движение именно бензиновым четырехтактным двигателем внутреннего сгорания изобретателя Отто.

Эта технология с успехом используется и сегодня. В случаях, когда силовая установка работает на переходных режимах или режимах со снятием частичной мощности ‒ она незаменима, так как обеспечивает стабильную устойчивость процесса.

Теперь, дорогой друг, ты в общих чертах знаешь что значит четырехтактный двигатель, где он используется. Теперь ты стал на голову выше. Но не скупись полученой информацией, поделись с друзьями. К твоим услугам кнопки социальных сетей.

Да и подписаться можно на наш блог, чтобы всегда быть в курсе интересного материала, а его всегда много и будет еще больше.

До новых встреч!

Общее устройство и работа двигателя

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — самый распространенный тип двигателя легкового автомобиля. Работа двигателя этого типа основана на свойстве газов расширяться при нагревании. Источником теплоты в двигателе является смесь топлива с воздухом (горючая смесь).
Двигатели внутреннего сгорания бывают двух типов: бензиновые и дизельные. В бензиновом двигателе горючая смесь (бензина с воздухом) воспламеняется внутри цилиндра от искры, образующейся на свече зажигания 3 (рис. 3). В дизельном двигателе горючая смесь (дизельного топлива с воздухом) воспламеняется от сжатия, а свечи зажигания не применяются. На обоих типах двигателей давление образующейся при сгорании горючей смеси газов повышается и передается на поршень 7. Поршень перемещается вниз и через шатун 8 действует на коленчатый вал 11, принуждая его вращаться. Для сглаживания рывков и более равномерного вращения коленчатого вала на его торце устанавливается массивный маховик 9.

Рис.3. Схема одноцилиндрового двигателя.

Рассмотрим основные понятия о ДВС и принцип его работы.

Читайте также:  Назначение системы EGR и особенности ее работы

В каждом цилиндре 2 (рис. 4) установлен поршень 1. Крайнее верхнее его положение называется верхней мертвой точкой (ВМТ), крайнее нижнее — нижней мертвой точкой (НМТ). Расстояние, пройденное поршнем от одной мертвой точки до другой, называется ходом поршня. За один ход поршня коленчатый вал повернется на половину оборота.

Рис.4. Схема цилиндра

Камера сгорания (сжатия) — это пространство между головкой блока цилиндров и поршнем при его нахождении в ВМТ.

Рабочий объем цилиндра — пространство, освобождаемое поршнем при перемещении его из ВМТ в НМТ.

Рабочий объем двигател — это рабочий объем всех цилиндров двигателя. Его выражают в литрах, поэтому нередко называют литражом двигателя.

Полный объем цилиндра — сумма объема камеры сгорания и рабочего объема цилиндра.

Степень сжатия показывает, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания. Степень сжатия у бензинового двигателя равна 8. 10, у изельного — 20. 30.

От степени сжатия следует отличать компрессию.

Компрессия — это давление в цилиндре в конце такта сжатия характеризует техническое состояние (степень изношенности) двигателя. Если компрессия больше или численно равна степени сжатия, состояние двигателя можно считать нормальным.

Мощность двигателя — величина, показывающая, какую работу двигатель совершает в единицу времени. Мощность измеряется в киловаттах (кВт) или лошадиных силах (л. с), при этом одна лошадиная сила приблизительно равна 0,74 кВт.

Крутящий момент двигателя численно равен произведению силы, действующей на поршень во время расширения газов в цилиндре, на плечо ее действия (радиус кривошипа — расстояние от оси коренной шейки до оси шатунной шейки коленчатого вала). Крутящий момент определяет силу тяги на колесах автомобиля: чем больше крутящий момент, тем лучше динамика разгона автомобиля.

Максимальные мощность и крутящий момент развиваются двигателем при определенных частотах вращения коленчатого вала (указаны в технической характеристике каждого автомобиля).

Такт — процесс (часть рабочего цикла), который происходит в цилиндре за один ход поршня. Двигатель, рабочий цикл которого происходит за четыре хода поршня, называют четырехтактным независимо от количества цилиндров.

Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя. Он протекает в одном цилиндре в такой последовательности (рис. 5):

Рис.5. Рабочий цикл четырехтактного двигателя

Рис.6. Схема работы четырехцилиндрового двигателя

1 -й такт — впуск. При движении поршня 3 вниз в цилиндре образуется разрежение, под действием которого через открытый впускной клапан 1 в цилиндр из системы питания поступает горючая смесь (смесь топлива с воздухом). Вместе с остаточными газами в цилиндре горючая смесь образует рабочую смесь и занимает полный объем цилиндра;

2-й такт — сжатие. Поршень под действием коленчатого вала и шатуна перемещается вверх. Оба клапана закрыты, и рабочая смесь сжимается до объема камеры сгорания;

3-й такт — рабочий ход, или расширение. В конце такта сжатия между электродами свечи зажигания возникает электрическая искра, которая воспламеняет рабочую смесь (в дизельном двигателе рабочая смесь самовоспламеняется). Под давлением расширяющихся газов поршень перемещается вниз и через шатун приводит во вращение коленчатый вал;

4-й такт — выпуск. Поршень перемещается вверх, и через открывшийся выпускной клапан 4 выходят наружу из цилиндра отработавшие газы.

При последующем ходе поршня вниз цилиндр вновь заполняется рабочей смесью, и цикл повторяется.

Как правило, двигатель имеет несколько цилиндров. На отечественных автомобилях обычно устанавливают четырехцилиндровые двигатели (на автомобилях «Ока» —двухцилиндровый). В многоцилиндровых двигателях такты работы цилиндров следуют друг за другом в определенной последовательности. Чередование рабочих ходов или одноименных тактов в цилиндрах многоцилиндровых двигателей в определенной последовательности называется порядком работы цилиндров двигателя. Порядок работы цилиндров в четырехцилиндровом двигателе чаще всего принят I —3—4—2 или реже I —2—4—3, где цифры соответствуют номерам цилиндров, начиная с передней части двигателя. Схема на рис. 6 характеризует такты, происходящие в цилиндрах во время первого полуоборота коленчатого вала. Порядок работы двигателя необходимо знать для правильного присоединения проводов высокого напряжения к свечам при установке момента зажигания и для последовательности регулировки тепловых зазоров в клапанах.

В действительности любой реальный двигатель гораздо сложнее упрощенной схемы, представленной на рис. 3. Рассмотрим типовые элементы конструкции двигателя и принципы их работы.

Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания (ДВС) – представляет собой ряд процессов, в результате которых производится порция усилия (мощности), воздействующего на коленчатый вал двигателя. Рабочий цикл состоит из:

• заполнения цилиндра топливной смесью;
• ее сжатия;
• воспламенения смеси;
• расширения газов и очистки от них цилиндра.

Фазы газораспределения в четырехтактном ДВС

Фазы газораспределения – один из главных факторов эффективности мотора. Они напрямую влияют на его КПД. Основная проблема, связанная с ними, заключается в том, что при различных режимах смесь и выхлоп ведут себя по-разному.

ВАЖНО!Для холостого хода подойдут малые фазы (позднее открытие и раннее перекрытие клапанов). На высоких оборотах, наоборот, выгодно раннее время открытия клапанов, благодаря чему можно обработать больший объем газов.

В современной автомобильной промышленности эта проблема обычно решается с помощью специальной муфты, изменяющей угол распредвала при увеличении оборотов двигателя. Эта муфта называется фазовращателем, она управляется электронной системой и поворачивается гидравликой. Благодаря ей, при повышении оборотов обеспечивается раннее открытие клапанов, то есть – нужный темп наполняемости цилиндров.

Способов изменения фаз множество. Например, кулачок с измененным профилем, начинающий работать вместо основного при достижении заданного показателя высоких оборотов. Это позволяет добиться повышенной мощности.

Четыре такта Отто — так происходит работа ДВС

Гениальный немец создал принцип, который никто не сумел не только превзойти, но и существенно улучшить так, чтобы вытеснить оригинал.

Работа ДВС это четыре повторяющихся действия, которые получили название «цикл Отто». Первым идёт такт впуска, затем – сжатие, рабочий ход, и, наконец – выпуск. Чтобы понять, как работает ДВС, рассмотрим каждый такт работы двигателя отдельно.

Впуск – 1 такт работы ДВС

Во время первого такта работы ДВС впускной клапан открывается для заполнения цилиндра рабочей смесью. Степень заполнения цилиндра определяется положением поршня: рабочая смесь перестает поступать, когда поршень оказывается в положении НМТ. Перемещение поршня начинает вращать кривошип, и коленчатый вал поворачивается, правда повернуться он успевает только на полоборота.

Сжатие – 2 такт работы ДВС

Впускной клапан во время второго такта работы ДВС закрывается. Выпускной клапан системы также закрыт. Рабочая смесь находится внутри герметичного цилиндра. Начинается движение поршня, а, соответственно, и сжатие рабочей смеси. К концу сжатия (а значит и второго такта) давление в цилиндре уже очень велико, а температура достигает 500 градусов по Цельсию.

Рабочий ход – 3 такт работы ДВС

Третий такт работы ДВС – самый главный. Именно во время третьего такта происходит превращение тепловой энергии в механическую.

Там, где проходит тонкая грань между вторым и третьим тактом, срабатывает свеча зажигания: смесь воспламеняется и поршень устремляется к НМТ. Результат – вращение коленчатого вала.

Выпуск – 4 такт работы ДВС

Во время четвертого такта работы ДВС открывается выпускной клапан при закрытом впускном. Поршень, возвращаясь к ВМТ, выталкивает из цилиндра отработавшие газы в выпускной канал, который ведет прямиком через глушитель в атмосферу.

Все четыре такта работы ДВС циклично повторяются. Но самым важным из них безусловно является третий – обеспечивающий рабочий ход. Остальные такты являются вспомогательными, лишь для «организации» третьего такта, который двигает автомобиль.

Четырехтактный двигатель представляет собой поршневой мотор внутреннего сгорания. Рабочий процесс всех цилиндров в этих агрегатах занимает 2 кругооборота коленчатого вала или четыре поршневых такта. С середины ХХ века 4 тактный двигатель — самый распространенный вид поршневых моторов.

Масло для четырехтактного двигателя

Масла делятся на два типа – для двигателей с воздушным и водяным охлаждением. Температура поршней в моторах с воздушным охлаждением гораздо выше, чем в случае с водяным, поэтому первые более требовательны к маслу.

Хотя в зимний период техника с воздушным охлаждением четырехтактного двигателя используется реже (в основном садовая и сельскохозяйственная техника, мотоциклы, моторные лодки и т.д используются летом), вопрос для ее владельцев стоит достаточно остро. Зимой актуально масло для квадроциклов, снегоходов и т.д.

Главное, и летом и зимой – это характеристики, позволяющие маслу сразу после запуска двигателя создать защитную пленку на механизмах. Это важно, даже если двигатель новый или бывший в употреблении, но в идеальном состоянии. Сравнительный анализ разных марок показывает, что масло может быть минеральным или синтетическим.

Разница между летними и зимними маслами определяется степенью вязкости и шириной диапазона температур, при которых конкретные марки масла можно применять. Число перед литерой W указывает на предел температуры, при которой масло густеет. Число после означает предельную температуру эффективного использования этого масла. Бывают всесезонные масла, например, 10w30. Аббревиатура SAE обозначает международный стандарт, по которому классифицируются моторные масла.

ВАЖНО! Зимние масла обладают самой низкой вязкостью, это SAE 0W, SAE 15W и другие. Летние более вязкие: SAE 20, SAE 30, SAE 50. Применяемое масло должно соответствовать показателям, указанным в спецификации к технике.

Высоковязкие масла, например, Sae 30 или Sae 40 ориентированы на летний период, а низковязкие (5W30 или близкие к нему) на зимний. Зимние масла летом будут ускоренно испаряться и не обеспечат смазку. Летние масла будут быстро густеть при низких температурах, осложняя работу мотора.

Понижающие редукторы для четырехтактных двигателей

Понижающий редуктор – устройство, которое должно понижать скорость с высокой с низким крутящим моментом до низкой с высоким крутящим моментом. Особенно они актуальны для сельскохозяйственной и садовой техники.

Среди самых популярных брендов, которые производят такие двигатели, обычно мощностью порядка 15лс – японская «Хонда» и китайский «Лифан» (есть модели с вариатором, автоматическим сцеплением). Также популярен американский производитель Briggs & Stratton, его двигатели используются в газонокосилках (бензотриммерах). Среди популярных двигателей с редукторами – «Чемпион» и его аналог, «Патриот Гарден».

ВАЖНО! Редукторы делятся на два типа: разборные и неразборные. Их действие одинаково. Второй вариант дешевле, но если возникнет неисправность, потребуется его замена. Разборный дороже, но в случае необходимости надо заменять только поломавшуюся запчасть. Обычно он ставится на сопоставимую по стоимости технику.

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.

Конструктивные и эксплуатационные отличия четырехтактных двухтактных бензиновых двигателей

Главное отличие четырехтактного двигателя от двухтактного обусловлено разными механизмами газообмена, а именно: удалением отработанных газов и подачей топливно-воздушной смеси в цилиндр.

Процессы заполнения цилиндра и его очистки в четырехтактном двигателе происходят с помощью газораспределительного специального механизма, который в определенное время открывает и закрывает рабочий цикл.

Очистка цилиндра и его заполнение в двухтактном двигателе выполняется в одно время с с расширением и сжатием при нахождении поршня поблизости мертвой нижней точки. В стенках цилиндра для этого имеется два отверстия: продувочное или впускное и выпускное. Через выпускное отверстие поступает топливная смесь, и выходят отработанные газы.

Основные отличия двухтактных и четырехтактных двигателей:

1. Литровая мощность. В четырехтактном двигателе на два оборота коленчатого вала приходится один рабочий ход. Поэтому теоретически двухтактный двигатель должен иметь литровую мощность вдвое больше, чем четырехтактный. Но на практике превышение составляет около 1,8 раза, благодаря использованию поршня при расширении хода, а также наличия худшего механизма освобождения цилиндра от отработанных газов и больших затрат на продувку части мощности.
2. Потребление топлива. Двухтактный двигатель превосходит четырехтактный в удельной и литровой мощности, но уступает в экономичности. Отработанные газы вытесняются воздушно — топливной смесью, которая поступает в цилиндр из шатунно-кривошипной камеры. Часть топливной смеси при этом поступает в выхлопные каналы и удаляется с отработанными газами.
3. У двухтактного и четырехтактного двигателей принцип смазки двигателя существенно отличается. Двухтактные модели характеризуются необходимостью смешивания бензина с моторным маслом в определенных пропорциях. Масляная воздушно-топливная смесь циркулирует в поршневой и кривошипной камерах, смазывая подшипники коленчатого вала и шатуна. Мельчайшие капли масла при возгорании топливной смеси сгорают вместе с бензином. Продукты сгорания уходят вместе с отработанными газами.

Смешивают бензин с маслом двумя способами. Это может быть простое перемешивание, которое проводится перед тем, как залить в бак топливо и раздельная передача. Во втором случае масляно-топливная смесь образуется во впускном патрубке, расположенном между цилиндром и карбюратором.

Двигатель в последнем случае оснащен масляным бачком с трубопроводом, соединенным с плунжерным насосом. Насос подает масло во впускной патрубок в том количестве, которое необходимо. Производительность насоса зависит от того, как расположена ручка подачи «газа». Поступление масла тем больше, чем больше подается топливо. Более совершенной является раздельная система смазки двухтактного двигателя. Отношение бензина к маслу при ней может достигать 200:1. Это приводит к снижению расхода масла и к уменьшению дымности. Такую систему используют, например, на современных скутерах.

В четырехтактных двигателях бензин с маслом не смешивают, а подают отдельно, для чего двигатели имеют классическую систему смазки, которая состоит из фильтра, масляного насоса, трубопроводной магистрали и клапанов. В качестве масляного бачка может выступать картер двигателя (смазка с «мокрым «картером) либо отдельный бачок («сухой» картер).

В первом случае насос всасывает из поддона масло, направляет его во входную полость, а затем по каналам -к деталям шатунно-кривошипной группы, к подшипникам коленвала и газораспределительному механизму.

В случае смазки с «сухим» картером масло заливают в бочок. Оттуда оно при помощи насоса попадает к трущимся поверхностям. Стекающую в картер часть масла откачивают дополнительным насосом и возвращают в бачок.

Для очищения масла от разных продуктов износа двигатель имеет фильтр. Кроме того при необходимости устанавливают охлаждающие фильтра, потому как температура масла в процессе работы может очень сильно подниматься.

Источник: skoda-rapid.ru