Принцип работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

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.

Такт в ДВС – это движение поршня в одном направлении (вверх или вниз). За один оборот коленчатого вала совершается два такта. Тот из них, при котором происходит расширение сгоревших газов и совершается полезная работа, называется рабочим ходом поршня.

Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за 2 такта (один оборот коленчатого вала), называются двухтактными. Двигатели, в которых рабочий цикл совершается за 4 такта (два оборота коленвала), называются четырехтактным. Двух- и четырехтактные двигатели могут быть как бензиновыми (карбюраторными), так и дизельными. Каковы основные эксплуатационные и конструктивные особенности бензиновых двухтактных и четырехтактных двигателей? Чем отличается двухтактный от четырехтактного? Чтобы лучше понять это, необходимо ознакомиться с принципом их работы.

Принцип работы четырехтактного бензинового двигателя

При впуске поршень опускается из верхней мертвой точки (ВМТ) в нижнюю (НМТ). При этом с помощью кулачков распределительного вала открывается впускной клапан, через который в цилиндр засасывается топливная смесь.

При обратном ходе поршня (из НМТ в ВМТ) происходит сжатие топливной смеси, сопровождающееся ростом ее температуры.

Перед самым концом сжатия между электродами свечи загорается искра, поджигающая топливную смесь, которая, сгорая, образует горючие газы, толкающие поршень вниз. Происходит рабочий ход, при котором совершается полезная работа.

После перехода поршня НМТ открывается выпускной клапан, позволяя двигающемуся вверх поршню вытолкнуть отработавшие газы из цилиндра. Происходит выпуск. В верхней мертвой точке выпускной клапан закрывается, и цикл повторяется снова.

Принцип работы двухтактного бензинового двигателя

При сжатии поршень двигается из нижней мертвой точки в верхнюю. После того как перекроется сначала продувочное окно (2), через которое в цилиндр поступает топливная смесь, а затем выпускное (3), через которое выходят отработавшие газы, начинается сжатие воздушно-бензиновой смеси. Одновременно с этим в кривошипной камере (1) создается разрежение, засасывающее из карбюратора следующую порцию топлива. При подходе поршня к верхней мертвой точке смесь воспламеняется от искры свечи, и образовавшиеся газы толкают поршень вниз, вращая коленвал и производя полезную работу.

В кривошипной камере при рабочем ходе повышается давление, сжимающее топливную смесь, попавшую туда в предыдущем такте. При достижении верхней поверхности поршня (его уплотнительного кольца) выпускного окна, последнее открывается, выпуская отработавшие газы в глушитель. При дальнейшем движении поршень открывает продувочное окно, и находящаяся под давлением в кривошипной камере топливная смесь поступает в цилиндр, вытесняя остатки отработавших газов (осуществляя продувку) и заполняя надпоршневое пространство. При переходе поршня нижней мертвой точки рабочий цикл повторяется.

Эксплуатационные и конструктивные отличия двухтактных и четырехтактных бензиновых двигателей

В двухтактном двигателе заполнение и очистка цилиндра выполняются одновременно с тактами сжатия и расширения – в то время, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки. Для этого в стенках цилиндра имеются два отверстия – впускное или продувочное и выпускное, через которые производится впуск топливной смеси и выпуск отработанных газа. Газораспределительный механизм с клапанами у двухтактного двигателя отсутствует, что делает его значительно проще и легче.

Литровая мощность. В отличие от четырехтактного двигателя, в котором один рабочий ход приходится на два оборота коленчатого вала, в двухтактном рабочий ход совершается при каждом обороте коленвала. Это означает, что 2-х тактный двигатель должен иметь (теоретически) вдвое большую литровую мощность (отношение мощности к литражу двигателя), чем 4-х тактный. На практике, однако, превышение составляет всего 1,5-1,8 раза. Это происходит из-за неполного использования хода поршня при расширении, худшего механизма освобождения цилиндра от отработавших газов, траты части мощности на продувку и прочих явлений, связанных с особенностями газообмена 2-х тактных двигателей.

Потребление топлива. Превосходя четырехтактный двигатель в литровой и удельной мощности, двухтактный двигатель уступает ему в экономичности. Вытеснение отработавших газов осуществляется в нем воздушно-топливной смесью, поступающей в цилиндр из кривошипно-шатунной камеры. При этом часть топливной смеси попадает в выхлопные каналы, удаляясь вместе с отработавшими газами и не производя полезной работы.

Смазка. Двухтактные и четырехтактные двигатели имеют различный принцип смазки двигателя. В 2-х тактных моделях она осуществляется смешиванием в определенных пропорциях (обычно 1:25-1:50) моторного масла с бензином. Воздушно-топливно-масляная смесь, циркулируя в кривошипной и поршневой камерах, смазывает подшипники шатуна и коленчатого вала, а также зеркало цилиндра. При возгорании топливной смеси масло, существующее в виде мельчайших капель, сгорает вместе с бензином. Продукты его сгорания удаляются вместе с отработанными газами.

Применяются два способа смешивания масла с бензином. Простое перемешивание перед заливкой топлива в бак и раздельная подача, при которой топливно-масляная смесь образуется во впускном патрубке, находящемся между карбюратором и цилиндром.

В последнем случае двигатель имеет масляный бачок, трубопровод которого соединен с плунжерным насосом, подающим масло во впускной патрубок ровно в том количестве, которое требуется в зависимости от количества воздушно-бензиновой смеси. Производительность насоса зависит от положения ручки подачи "газа". Чем больше подается топлива, тем больше поступает масла, и наоборот. Раздельная система смазки двухтактных двигателей является более совершенной. При ней отношение масла к бензину при малых нагрузках может достигать 1:200, что приводит к уменьшению дымности, снижению образования нагара и расхода масла. Эта система используется, например, на современных скутерах с двухтактными двигателями.

В четырехтактном двигателе масло не смешивается с бензином, а подается отдельно. Для этого двигатели оснащены классической системой смазки, состоящей из масляного насоса, фильтра, клапанов, трубопроводной магистрали. Роль масляного бачка может выполнять картер двигателя (система смазки с "мокрым" картером) или отдельный бачок (система с "сухим" картером).

При смазке с "мокрым" картером насос 3 всасывает масло из поддона, нагнетает его в выходную полость и далее по каналам подает к подшипникам коленвала, деталям кривошипно-шатунной группы и газораспределительного механизма.

При смазке с "сухим" картером масло заливается в бачок, откуда с помощью насоса подается к трущимся поверхностям. Та часть масла, которая стекает в картер, откачивается дополнительным насосом, возвращающем ее в бачок.

Читайте также:  Размеры гаечных ключей в дюймах

Для очистки масла от продуктов износа деталей двигателя имеется фильтр. При необходимости устанавливается и охлаждающий радиатор, так как в процессе работы температура масла может подниматься до высоких температур.

Поскольку в двухтактных двигателях масло сгорает, а в четырехтактных нет, требования к его свойствам сильно разнятся. Масло, используемое в двухтактных двигателях, должно оставлять минимум нагара в виде золы и сажи, в то время как масло для четырехтактных двигателей должно обеспечивать стабильность характеристик в течение как можно более длительного времени.

Сравнение основных параметров двухтактных и четырехтактных двигателей:

  • Литровая мощность. У 2-х тактных двигателей выше в 1,5-1,8 раза, чем у 4-х тактных.
  • Удельная мощность (отношение мощности к массе двигателя). Также выше у 2-х тактных.
  • Обеспечение подачи топлива и очистки цилиндра. 4-х тактные двигатели оснащены газораспределительным механизмом, который отсутствует у 2-х тактных двигателей.
  • Экономичность. Выше у 4-х тактных, расход топлива у которых примерно на 20-30 % ниже, чем у 2-х тактных.
Двигатель Количество тактов Мощность, л.с. Расход топлива (бензина), кг/час
Briggs&Stratton 4 3,5 0,9
Minarelli 2 3,5 1,5
Tecumzeh 4 3,7 0,9
Briggs&Stratton 4 5,0 1,0
Tecumzeh 4 5,0 1,0
Briggs&Stratton 4 6,0 1,1
Lombardini 4 7,0 1,6
Minsel 2 7,0 2,1
  • Система смазки. Масло для 2-х тактных двигателей разводится в бензине или (значительно реже) подается из масляного бака во впускной коллектор и сгорает вместе с топливом в поршневой камере. У 4-х тактных двигателей реализована полноценная система, обеспечивающая качественную смазку двигателя и длительное использование масла.
  • Экологичность. У 4-х тактных выше. Выхлоп 2-х тактных двигателей обладает большей токсичностью.
  • Шумность работы. 4-х тактные двигатели менее шумные.
  • Сложность конструкции. 2-х тактные двигатели значительно проще 4-х тактных.
  • Ресурс работы. Выше у 4-х тактных из-за более совершенной системы смазки и меньшей частоты вращения коленвала.
  • Скорость набора оборотов. 2-х тактные двигатели набирают обороты быстрее.
  • Обслуживание. Сложнее у 4-х тактных из-за наличия газораспределительного механизма и более сложной системы смазки.
  • Вес. 2-х тактные значительно легче.
  • Цена. 2-х тактные дешевле.

Благодаря своей высокой удельной мощности, небольшому весу, простоте обслуживания двухтактные двигатели имеют достаточно широкую область применения. В отношении некоторой бензотехники вопрос, какой двигатель использовать – двухтактный или четырехтактный – даже не возникает. В бензопилах, например, двухтактный двигатель благодаря своему небольшому весу и высокой удельной мощности находится вне конкуренции по сравнению с четырехтактным. Широко используются 2-х тактные двигатели также в скутерах, мототехнике, авиамоделестроении.

И все же из-за токсичности выхлопа и шумности 2-х тактные двигатели сдают свои позиции перед 4-х тактными. Большая их конкурентоспособность возможна при использовании новых технологических решений. Таких, например, как идея компаний Aprilia и Orbital использовать для продувки двухтактного двигателя чистый воздух. Топливо в их модели подается через форсунку, расположенную в головке двигателя, а масло добавляется в продувочный воздух. Такой двигатель по экономичности даже превосходит четырехтактный, его экологичность также соответствует современным требованиям. Вот только главное достоинство 2-х тактных двигателей – простота их конструкции – несколько страдает от нововведения.

Пособие для водителей катеров, яхт, лодок, судов, водного транспорта

22.05.2015 22:10
дата обновления страницы

Основы устройства и работы катерных двигателей водных судов
Читайте также:  Насос для увеличения напора воды в квартире

Во время такта впуска камера цилиндра заполняется горючей смесью (см. рис. 39,5 – /). Поршень движется от ВМТ к НМТ; благодаря увеличению объема над поршнем создается разрежение; в это время кулачок распределительного вала поднимает впускной клапан, соединяя камеру цилиндра через впускной трубопровод с карбюратором. Под влиянием разрежения горючая смесь начинает поступать в цилиндр до момента закрытия впускного клапана. Поступившая в цилиндр горючая смесь смешивается в цилиндре с остатками отработавших газов, оставшихся от предыдущего цикла; получившаяся смесь называется рабочей смесью. Степень наполнения цилиндра определяется коэффициентом наполнения, который представляет собой отношение веса фактически засосанной в цилиндр смеси к весу смеси в объеме, равном рабочему объему цилиндра. Для современных бескомпрессорных двигателей коэффициент наполнения колеблется от 0,75 до 0,85 из-за наличия сопротивления в трубопроводах, ограниченного диаметра впускных отверстий и других причин. Давление в конце такта впуска равно примерно 0,7-0,8 кг/см2. Температура рабочей смеси в цилиндре колеблется от 90 до 130°.

Во время такта сжатия поршень идет от НМТ к ВМТ, т. е. движется вверх (рис. 39 5- 11 ). Оба клапана закрыты, объем под поршнем уменьшается, рабочая смесь сжимается. Чем больше степень сжатия, тем сильнее сжимается рабочая смесь и тем выше давление газов на поршень при сгорании. Чрезмерно высокая степень сжатия может привести к детонационному самовоспламенению рабочей смеси и нарушению протекания нормального ее сгорания в цилиндре двигателя; это приводит к резкому повышению давления газов в цилиндре и стукам двигателя, а несвоевременное ее воспламенение – к снижению мощности и перегреву двигателя. При высоких степенях сжатия в двигателях применяется топливо, обладающее хорошими антидетонационными свойствами (с большим октановым числом). Давление смеси в конце такта сжатия достигает 7-9 кг/см’2, а температура – около 300°.

При рабочем ходе (рис. 39,Б- III ) поршень под влиянием давления, развившегося в цилиндре при сгорании рабочей смеси, движется от ВМТ к НМТ. В конце такта сжатия, когда поршень находится в ВМТ, в цилиндр на свечу подается высокое напряжение, между ее контактами проскакивает искра, поджигающая рабочую смесь. Оба клапана при этом такте закрыты. Смесь сгорает очень быстро, выделяя большое количество тепла, что приводит к сильному расширению газов и появлению высокого давления в цилиндре порядка 30-40 кг/см2. Затем поршень с большой силой перемещается к НМТ и через шатун вращает коленчатый вал.

Температура газов в цилиндре в начале рабочего хода равна 1800-2000°. В конце рабочего хода давление в цилиндре падает до 3-4 кг/см1’2, а температура снижается до 1100- 800°.

Такт выпуска (рис. 39,Б-IV) предназначен для очищения камеры цилиндра от отработавших газов. Очистка цилиндра происходит за счет энергии, полученной маховиком при такте рабочего хода. Поршень двигается от НМТ к ВМТ, кулачок распределительного вала в этот момент открывает выпускной клапан, и отработавшие газы выталкиваются в атмосферу. Пол: ностью удалить из цилиндра отработавшие газы невозможно. Давление при такте выпуска в цилиндре колеблется от 1Д до 1,3 кг/см2, температура газов равна 700-800°.

Рабочий цикл четырехтактного дизеля состоит из тех же четырех тактов, что и у карбюраторного двигателя, т. е. из впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Рабочий процесс дизеля показан на рис. 41.

При такте впуска поршень движется от ВМТ к НМТ. Впуск: ной клапан открыт, и в цилиндр засасывается чистый воздух. Процесс в дизеле отличается от процесса в карбюраторном двигателе, где во время такта впуска в цилиндр засасывается готовая горючая смесь.

При такте сжатия поршень движется от НМТ к ВМТ и оба клапана закрыты. Воздух в цилиндре сжимается в 14-18 раз, т. е. степень сжатия составляет в дизеле 14-18. Давление в цилиндре в конце такта сжатия возрастает до 34-38 кг/см2, а температура сжатого воздуха достигает 600-700° С. Высокая температура воздуха в конце такта сжатия допустима, так как сжимается только воздух и опасность возникновения детонационного сгорания смеси отсутствует. Высокая степень сжатия дизелей обеспечивает их главное преимущество, заключающееся в высокой экономичности и повышении КПД до 35-40% использования тепловой энергии топлива.

Рис. 41. Рабочий цикл четырехтактного дизеля: 1-форсунка; 2-топливный насос

В конце такта сжатия, когда поршень находится около ВМТ, в цилиндр дизеля из форсунки под очень большим давлением вспрыскивается топливо, мелко распыленные частицы которого, соприкасаясь с воздухом, нагретым до 600-700°, быстро сгорают, выделяя при этом большое количество тепла. Температура сгорания смеси около 1800-2000°, давление порядка 50- 60 кг/см2 и выше. Под влиянием давления поршень движется от ВМТ к НМТ. Оба клапана при этом закрыты.

При такте выпуска поршень движется от НМТ к ВМТ, выпускной клапан открыт; своим движением поршень через открытое отверстие выпуска выталкивает в атмосферу отработавшие газы из цилиндра.

В четырехтактном двигателе впуск, сжатие и выпуск являются подготовительными тактами к совершению рабочего процесса. Для совершения этих тактов к коленчатому валу надо приложить вращающее усилие двигателя извне. Для выполнения подготовительных тактов на коленчатом валу двигателя устанавливается маховик (рис. 39,а, 17). Маховик представляет собой тяжелый чугунный диск, который, имея значительный вес, накапливает энергию, достаточную для того, чтобы вращать коленчатый вал двигателя и перемещать поршень в цилиндре двигателя во время подготовительных тактов, т. е. за полтора оборота во время рабочего цикла. Наличие маховика на коленчатом валу двигателя приводит к равномерному вращению коленчатого вала и способствует переводу поршней через положения мертвых точек. В одноцилиндровом двигателе в момент вспышки рабочей смеси в цилиндре на картер двигателя передаются сильные толчки и коленчатый вал, несмотря на наличие маховика, вращается неравномерно. Чтобы избежать этого и получить равномерную работу двигателя, его делают многоцилиндровым.

Средства для чистки катеров

Дорогой друг, сегодня поговорим о том, что значит четырехтактный двигатель. О истории его изобретения, принципе работы, особенностях, технических характеристиках и сферах применения.

Читайте также:  Как увеличить объем ресивера компрессора

Конечно, если у вас есть водительское удостоверение, то вы по крайней мере слышали этот термин, когда учились в автошколе. Но вряд ли тогда стали вникать во все тонкости, поэтому сейчас самое время разобраться, что же там происходит под капотом вашего железного коня.

Как всё начиналось

В 19 веке уже были двигатели, но это были в основном большие механизмы, работающие на пару. Они конечно частично обеспечивали развивающуюся промышленность, но имели много недостатков.

Были тяжелые, имели низкий КПД, большие габариты, требовалось много времени на запуск и остановку, для эксплуатации нужны были квалифицированные рабочие.

Промышленникам нужен был новый агрегат без перечисленных недостатков они уже поняли что значит четырехтактный двигатель. И как при определенных условиях с его помощью можно повысить прибыль.

Его и разработал изобретатель Эжен-Альфонс Бо де Роша, а в 1867 году воплотил в металл Николаус Август Отто.

В то время это было чудо техники. Двигатель внутреннего сгорания отличался низкими эксплуатационными расходами, небольшими размерами и не требовал постоянного присутствия обслуживающего персонала.

Работало устройство по особому алгоритму, который и сейчас называют «цикл Отто». Спустя 8 лет, после запуска первого экземпляра, компания Отто выпускала уже более 600 силовых установок в год.

Очень быстро, из-за автономности и компактности, двигатели внутреннего сгорания получили широкое распространение.

Из чего состоит двигатель

Чтобы понять принцип работы, познакомимся с основными составляющими движка:

  • блок цилиндров;
  • кривошипно-шатунный механизм (включает коленвал, поршни, шатуны) ‒ он необходим для преобразования поступательно-возвратных движений поршня во вращательное движение коленвала;
  • головка блока вместе с газораспределительным механизмом, который открывает впускные и выпускные клапаны, для того чтобы поступала рабочая смесь и выходили отработавшие газы. ГРМ может включать один или более распредвалов, которые состоят из кулачков для толкания клапанов, самих клапанов и клапанных пружин. Для стабильной работы четырехтактного движка существует ряд вспомогательных систем:
  • система зажигания ‒ для поджига горючей смеси в цилиндрах;
  • впускная система ‒ для подачи воздуха и рабочей смеси в цилиндр;
  • топливная система ‒ для непрерывной подачи топлива, получения смеси воздуха и горючего;
  • система смазки – для смазки трущихся деталей, а также одновременного удаления продуктов износа;
  • выхлопная система – для удаления отработанных газов из цилиндров, снижения токсичности выхлопа;
  • система охлаждения – для поддержки оптимальной температуры движка.

Что значит четырехтактный двигатель и почему четыре такта

  1. Теперь, когда вы более-менее представляете устройство четырехтактного двигателя, можно рассмотреть рабочий процесс.
    Он состоит из следующих этапов:впуск – поршень движется вниз, цилиндр заполняется горючей смесью из карбюратора через впускной клапан, который открываются кулачком распределительного вала.При движении поршня вниз, создается отрицательное давление в цилиндре, тем самым происходит всасывание рабочей смеси, а именно воздуха с парами топлива. Впуск продолжается пока поршень не достигнет НМТ (нижняя мертвая точка). В этот момент закрывается впускной клапан;
  2. сжатие или компрессия – после того как будет достигнута НМТ поршень начинает двигаться вверх к ВМТ (верхняя мертвая точка). При движении поршня вверх происходит сжатие, рабочая топливо-воздушная смесь сжимается, давление внутри цилиндра возрастает. Впускной и выпускной клапан закрыты;
  3. рабочий ход или расширение – в конце цикла сжатия (в ВМТ), рабочая смесь воспламеняется от искры в свече зажигания. Поршень от микровзрыва устремляется к НМТ.В процессе движения поршня от ВМТ к НМТ смесь сгорает, а увеличивающиеся в объеме газы толкают поршень, выполняя полезную работу. Именно по этой причине движение поршня в этом такте назвали рабочий ход. Впускной и выпускной клапан закрыты;
  4. выпуск выхлопных газов – в заключительном четвертом такте открывается выпускной клапан, поршень поднимается в верхнюю точку и выталкивает продукты сгорания из цилиндра в выхлопную систему, пройдя через глушитель, они попадают в атмосферу. После достижения поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, затем цикл повторяется. Эти четыре такта представляют собой рабочий цикл мотора. Тактом же именуется движение поршня вверх или вниз. Один оборот коленчатого вала соответствует двум тактам, а два оборота – 4 тактам. Отсюда пошло название четырёхтактного двигателя.

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.

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.

“>