Рабочий цикл четырехкратного двигателя проходит за

Рабочий цикл четырехкратного двигателя проходит за

1. Двигатель автомобиля представляет собой совокупность механизмов и систем, преобразующих тепловую энергию сгорающего в его цилиндрах топлива в механическую. На современных автомобилях наибольшее распространение получили поршневые двигатели внутреннего сгорания, в которых расширяющиеся при сгорании топлива газы воздействуют на движущиеся в их цилиндрах поршни. Бензиновые двигатели работают на легком жидком топливе — бензине, который получают из нефти. Дизельные двигатели работают на тяжелом жидком топливе — дизельном, получаемом также из нефти. Из указанных двигателей наиболее мощными являются бензиновые, наиболее экономичными и экологичными — дизели, имеющие более высокий коэффициент полезного действия.

У двигателей с внешним смесеобразованием горючая смесь готовится вне цилиндров, в специальном приборе — карбюраторе (карбюраторные двигатели) или во впускном трубопроводе (двигатели с впрыском бензина) и поступает в цилиндры в готовом виде. У двигателей с внутренним смесеобразованием (дизели, двигатели с непосредственным впрыском бензина) приготовление горючей смеси производится непосредственно в цилиндрах путем впрыска в них топлива. В двигателях без наддува наполнение цилиндров осуществляется за счет вакуума, создаваемого в цилиндрах при движений поршней из верхнего крайнего положения в нижнее. В двигателях с наддувом горючая смесь поступает в цилиндры под давлением, которое создается компрессором. Принудительное воспламенение горючей смеси от электрической искры, возникающей в свечах зажигания, производится в бензиновых двигателях, а воспламенение от сжатия (самовоспламенение) — в дизелях.

Основные типы двигателей

У четырехтактных двигателей полный рабочий процесс (цикл) совершается за четыре такта (впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск), которые последовательно повторяются при работе двигателей. Рядные двигатели имеют цилиндры, расположенные в один ряд вертикально или под углом 20. 40° к вертикали. V-образные двигатели имеют два ряда цилиндров, расположенных под углами 60, 75° и чаще 90. V-образный двигатель с углом 180° между рядами цилиндров называется оппозитным. Двух-, трех-, четырех- и пятицилиндровые двигатели выполняются обычно рядными, а шести-, восьми- и многоцилиндровые — V-образными. В двигателях с жидкостным охлаждением в качестве охлаждающего вещества используют антифризы (низкозамерзающие жидкости), температура замерзания которых -40 °С и ниже. В двигателях с воздушным охлаждением охлаждающим веществом является воздух. Большинство двигателей имеет жидкостное охлаждение, так как оно наиболее эффективное.

Основные определения и параметры двигателя

Верхняя мертвая точка (ВМТ) — крайнее верхнее положение поршня. В этой точке поршень наиболее удален от оси коленчатого вала. Нижняя мертвая точка (НМТ) — крайнее нижнее положение поршня. Поршень наиболее приближен к оси коленчатого вала. В мертвых точках поршень меняет направление движения, и его скорость равна нулю. Ход поршня (S) — расстояние между мертвыми точками, проходимое поршнем в течение одного такта рабочего цикла двигателя. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на угол 180° (пол-оборота). Такт — часть рабочего цикла двигателя, происходящего при движении поршня из одного крайнего положения в другое. Рабочий объем цилиндра (Vk) — объем, освобождаемый поршнем при его перемещении от ВМТ до НМТ. Объем камеры сгорания (Vc) — объем пространства над поршнем, находящимся в ВМТ. Полный объем цилиндра (Va) — объем пространства над поршнем, находящимся в НМТ: va=vk+vc.

Рабочий объем (литраж) двигателя — сумма рабочих объемов всех цилиндров двигателя, выраженная в литрах (см 3 ). Степень сжатия (s) — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания, т.е. s = Va/Vc

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.

Бензиновые двигатели

Бензиновые двигатели – одна из разновидностей ДВС (двигателей внутреннего сгорания) в которых поджег смеси из воздуха и топлива, осуществляется в цилиндрах, посредством искр от свечей зажигания. Роль регулятора мощности выполняет дроссельная заслонка, которая регулирует поток поступающего воздуха.

Существует несколько видов дросселей, например карбюраторная дроссельная заслонка, регулирует количество поступающего в цилиндры ДВС топлива. Она состоит из пластины, закрепленной на главной вращающейся оси и помещенной в трубке, по которой и протекает топливо. Вращая пластинку, можно регулировать пропускную способность трубки (если пластинка находится в перпендикулярном положении относительно трубки, то топливо поступать не будет). Дроссель управляется водителем, наиболее распространена двойная система привода: ножная от педали и ручная от рычага или кнопки. При использовании педали, кнопка ручного управления блокируется, а при вытягивании кнопки ручного управления опускается педаль. В дальнейшем, дроссель опять открывается педалью, но при опускании педали, он остается в положении, установленным ручным управлением.

Классификация бензиновых двигателей:

По кол-ву цилиндров – одноцилиндровые, двухцилиндровые, многоцилиндровые;

По системе охлаждения – двигатели с жидкостной и воздушной СО.

По типу смазки – смешанные (топливная смесь перемешивается с маслом), раздельный тип (масло заливается в картер).

По виду применяемого топлива: бензиновые или многотопливные.

По степени сжатия. Подразделяют двигатели высокого (E=12…18) и низкого (E=4…9) сжатия.

По способу смесеобразования – подразделяют на двигатели с внешним смесеобразованием, топливная смесь готовится вне цилиндров двигателя (газовые и карбюраторные), и двигатели с внутренним смесеобразованием (инжекторные – рабочая смесь образуется внутри цилиндров).

По размещению цилиндров – V-образные, у которых цилиндры располагаются под углом (если угол составляет 180 градусов, то двигатель является оппозитным [с противолежащими цилиндрами]). В “рядных” двигателях цилиндры располагаются вертикально или горизонтально в один ряд.

По способу осуществления рабочего цикла – двухтактные и четырехтактные. Двухтактные двигатели обладают большей мощностью на единицу объема, однако проигрывают в КПД. Поэтому они нашли свое применение там, где важна компактность, а не экономичность (мотоциклы, моторные лодки, бензопилы и другие моторизованные инструменты). Четырехтактные двигатели доминируют в остальных средствах передвижения. Интересен тот факт, что двухтактные дизельные двигатели лишены многих недостатков двухтактных бензиновых двигателей, однако применяются в основном на больших судах (иногда на тепловозах и грузовиках).

По частоте вращения: малооборотистые, повышенной частоты вращения, высокооборотистые.

По предназначению: стационарные, судовые, автотракторные, авиационные, тепловозные и др.

По способу подачи топлива: существуют атмосферные двигатели, в которых поступление топлива осуществляется за счет разницы атмосферного давления и давления внутри двигателя, при всасывающем ходе поршня; в двигателях с наддувом горючая смесь подается в цилиндр под давлением, которое поддерживается турбокомпрессором, для увеличения мощности двигателя.

Рабочий цикл бензинового двигателя:

Четырехтактный двигатель.

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.

Двухтактный двигатель.

Двухтактный и четырехтактный цикл схожи лишь тем, что в них присутствует сжатие и расширение рабочего тела. Такты наполнения топливом двигателя и его последующей очистки от продуктов сгорания заменены продувкой двигателя вблизи НМТ положения поршня. А весь рабочий цикл укладывается в течение одного оборота коленвала.

Если говорить о двухтактном цикле, то он делится на следующие такты: изначально, поршень поднимается вверх, сжимая рабочую смесь в цилиндре, а также создавая разрежение в кривошипной камере. Клапан впускного коллектора открывается от воздействия этого разряжения, и новая порция горючей смеси (зачастую с добавлением масла) втягивается в кривошипную камеру. При опускании поршня вниз закрывается клапан в кривошипной камере, а также повышается давление. В остальном же: поджег, сгорание топлива, и расширение рабочего тела происходят идентично, как и в четырехтактных двигателях. Но есть один нюанс, в момент, когда поршень опускается, примерно за 60° до НМТ открывается выпускное окно (поршень перестает его перекрывать). Выхлопные газы, находящиеся под большим давлением, устремляются в выпускной коллектор через это окно. Немного позже, поршень открывает и впускное окно, которое расположено со стороны впускного коллектора. Новая порция топлива из кривошипной камеры, попадает в рабочий объем цилиндра, под воздействием опускающегося поршня, и вытесняет оставшиеся отработанные газы. При этом, небольшая часть рабочей смеси попадает в выпускной коллектор, однако на обратном ходе поршня она втягивается обратно в кривошипную камеру.