Четырёхтактный двигатель — Википедия
Работа четырёхтактного двигателя в разрезе. Цифрами обозначены тактыЧетырёхтактный 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.
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.
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.
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, характеризующимитакт выпуска (D) . TDC — верхняя мёртвая точка; BDC — нижняя мёртвая точка
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.
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.
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 впуска
B: такт сжатия
C: такт рабочего хода
D: 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.
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.
Примечания
Ссылки
- Рикардо Г.Р. Быстроходные двигатели внутреннего сгорания. — М.: ГНТИ Машиностроительной литературы, 1960.
Дорогой друг, сегодня поговорим о том, что значит четырехтактный двигатель. О истории его изобретения, принципе работы, особенностях, технических характеристиках и сферах применения.
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
- 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; - 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;
- 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;
- 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:
- объёмом цилиндров;
- степенью сжатия рабочей смеси;
- 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.
До новых встреч!
Работа четырёхтактного двигателя в разрезе. Цифрами обозначены тактыЧетырёхтактный 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.
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.
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.
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, характеризующимитакт выпуска (D) . TDC — верхняя мёртвая точка; BDC — нижняя мёртвая точка
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.
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 впуска
B: такт сжатия
C: такт рабочего хода
D: 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.
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.
Примечания
Ссылки
- Рикардо Г.Р. Быстроходные двигатели внутреннего сгорания. — М.: ГНТИ Машиностроительной литературы, 1960.
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). Этими тактами являются:
- Впуск — (такт впуска, поршень идёт вниз) свежая порция топливо-воздушной смеси всасывается в цилиндр через открытый впускной клапан.
- Сжатие (такт сжатия, поршень идёт вверх) впускной и выпускной клапаны закрыты, и топливо-воздушная смесь сжимается в объёме.
- Рабочий ход (такт рабочего хода, поршень идёт вниз) сжатое топливо воспламеняется свечой зажигания, расположенной над поршнем, при сгорании высвобождается энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз. Фактически на такте рабочего хода происходит работа двигателя.
- Выпуск (такт выпуска, поршень идёт вверх) на этом такте открываются выпускные клапаны, и выхлопные газы, проходя через них, очищают цилиндр.
По окончании 4-го такта всё повторяется в том же порядке.
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, характеризующимитакт выпуска (D) . TDC — верхняя мёртвая точка; BDC — нижняя мёртвая точка
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, реально построившим четырёхтактный двигатель, был немецкий инженер Николаус Отто. Вот почему четырёхтактный принцип сегодня известен, в основном, как цикл Отто, а четырёхтактный двигатель, использующий свечи зажигания, часто называется двигателем Отто.
Цикл Отто состоит из адиабатического сжатия, сообщения теплоты при постоянном объёме, адиабатического расширения и отдачи теплоты при постоянном объёме. В случае четырёхтактного цикла Отто имеется также изобарическое сжатие и изобарическое расширение, которые обычно не рассматриваются, так как в идеализированном процессе они не играют роли в сообщении рабочему газу теплоты или в совершении газом работы.
Это видеоролик о работе двигателя Отто. (2 мин 16 сек, 320×240, 340 кбит/с)Октановое число топлива
Мощность на коленчатый вал двигателя внутреннего сгорания передаётся на вал от расширяющихся газов, в основном, во время такта рабочего хода. Сжатие топливо-воздушной смеси до очень малого объёма повышает эффективность рабочего хода, но увеличение степени сжатия в цилиндре также сильнее нагревает сжимающуюся топливо-воздушную смесь (согласно закону Шарля).
Если топливо легковоспламеняемое, с низкой температурой вспышки, то это может привести к возгоранию топливо-воздушной смеси до того, как поршень достигнет верхней мёртвой точки. Это, в свою очередь, будет заставлять поршень двигаться в сторону, противоположную требуемому направлению вращения коленчатого вала. Топливо, которое воспламеняется в верхней мёртвой точке, но до того, как поршень начнёт двигаться вниз, может повредить поршень и цилиндр из-за наличия в малом объёме очень большого количества тепловой энергии, не имеющей возможности выхода. Это повреждение часто проявляет себя как стук двигателя, и оно ведёт к перманентному повреждению двигателя, если случается постоянно.
Октановое число является мерой сопротивления топлива к самовоспламенению под воздействием возрастающих температур. Топлива с более высокими октановыми числами позволяют осуществлять более высокую степень сжатия без риска повреждения двигателя вследствие самовоспламенения.
Для работы дизельных двигателей самовоспламенение необходимо. Они предотвращают возможное повреждение двигателей путём раздельного впрыска топлива под большим давлением в цилиндр очень незадолго до того, как поршень достигнет верхней мёртвой точки. Воздух без топлива может быть сжат очень сильно без опасности самовоспламенения, и в то же время, находящееся под высоким давлением топливо в системе подачи топлива не может самовоспламениться без присутствия воздуха.
Факторы, ограничивающие мощность двигателя
Четырёхтактный цикл1=верхняя мёртвая точка
2=нижняя мёртвая точка
A: такт впуска
B: такт сжатия
C: такт рабочего хода
D: такт выпуска
Максимальная мощность двигателя вырабатывается при максимальном количестве всасываемого воздуха. Мощность, вырабатываемая поршневым двигателем, связана с его размерами (объёмом цилиндра), объёмным КПД, потерь энергии, степени сжатия топливо-воздушной смеси, содержания кислорода в воздухе и частоты вращения. Это справедливо как для двухтактных, так и для четырёхтактных двигателей. Частота вращения в конечном счёте ограничена прочностью материалов и свойствами смазки. Клапана, поршни и коленчатые валы испытывают больши́е динамические нагрузки. На слишком высоких оборотах двигателя могут происходить физические повреждения и дрожание поршневых колец, и это приводит к потерям энергии и даже разрушению двигателя. Поршневые кольца колеблются вертикально в каналах, в которых они находятся. Эти колебания колец ухудшают уплотнение между кольцами и стенками цилиндра, что приводит к потерям давления в цилиндре и мощности. Если вал двигателя вращается слишком быстро, то пружины клапанов не успевают достаточно быстро срабатывать, и клапана не успевают закрываться. Эта ситуация называется «плаванием клапанов» (англ.), и она может привести к контакту поршня и клапанов, вызвав серьёзные повреждения. На высоких скоростях условия смазки на границе поверхностей поршня и цилиндра ухудшаются. Это ограничивает скорость поршней промышленных двигателей величиной около 10 м/с.
Потоки через впускной и выпускной каналы
Выходная мощность двигателя зависит от всасывающей способности, и от возможностей выхлопных газов быстро перемещаться через клапанные каналы, как правило расположенные в головках цилиндров (англ.). Для увеличения выходной мощности можно минимизировать количество изгибов тех каналов, по которым движутся всасываемые и выхлопные потоки, а также сделать их более плавными, благодаря чему уменьшится сопротивление этим потокам. Для этого радиусы поворотов клапанных каналов и сёдла клапанов можно модифицировать таким образом, чтобы их аэродинамическое сопротивление было минимальным. Можно, кроме того, использовать разделение потока на несколько частей.
Принудительное нагнетание воздуха в цилиндры
Один из путей увеличения мощности — это принудительное нагнетание дополнительного количества воздуха в цилиндры, благодаря чему при каждом рабочем ходе может вырабатываться больше мощности. Такое принудительное нагнетание может производиться некоторыми типами компрессорных устройств, называемых нагнетателями. Последние могут приводиться в движение от коленчатого вала или выхлопных газов.
Нагнетание повышает предел мощности двигателя внутреннего сгорания при том же самом объёме цилиндра. В общем случае, нагнетатель всегда работает, но есть конструкции, позволяющие отключать его, или позволяющие ему работать с разными скоростями (относительно скорости двигателя).
Недостатком механически осуществляемого нагнетания является то, что часть выходной мощности расходуется на приведение в движение нагнетателя. Воздух в цилиндре сжимается дважды, но расширяется только в один этап. Поэтому часть мощности понапрасну расходуется с выхлопами высокого давления.
Турбонагнетание
Турбонагнетатель или турбокомпрессор (ТК, ТН) — это такой нагнетатель, который приводится в движение выхлопными газами. Получил своё название от слова «турбина» (фр. turbine от лат. turbo — вихрь, вращение). Это устройство состоит из двух частей: роторного колеса турбины, приводимого в движение выхлопными газами, и центробежного компрессора, закреплённых на противоположных концах общего вала. Струя рабочего тела (в данном случае, выхлопных газов) воздействует на лопатки, закреплённые по окружности ротора, и приводит их в движение вместе с валом, который изготовляется единым целым с ротором турбины из сплава, близкого к легированной стали. На вале, помимо ротора турбины, закреплён ротор компрессора, изготовленный из алюминиевых сплавов, который при вращении вала позволяет «закачивать» под давлением воздух в цилиндры ДВС. Таким образом, в результате действия выхлопных газов на лопатки турбины одновременно раскручиваются ротор турбины, вал и ротор компрессора. Применение турбокомпрессора совместно с промежуточным охладителем (интеркулером) позволяет обеспечивать подачу более плотного воздуха в цилиндры ДВС (в современных турбированных двигателях используется именно такая схема). Часто при применении в двигателе турбокомпрессора говорят о турбине, не упоминая компрессора. Турбокомпрессор — это одно целое. Нельзя использовать энергию выхлопных газов для подачи воздушной смеси под давлением в цилиндры ДВС при помощи только турбины. Нагнетание воздуха обеспечивает именно та часть турбокомпрессора, которая именуется компрессором.
На холостом ходу, при небольших оборотах, турбокомпрессор вырабатывает небольшую мощность и приводится в движение малым количеством выхлопных газов. В этом случае турбонагнетатель малоэффективен, и двигатель работает примерно так же, как без нагнетания. Когда от двигателя требуется намного большая выходная мощность, то его обороты, а также зазор дросселя, увеличиваются. Пока количества выхлопных газов достаточно для вращения турбины, по впускному трубопроводу подаётся намного больше воздуха.
Турбонагнетание позволяет двигателю работать более эффективно, потому что турбонагнетатель использует энергию выхлопных газов, которая, в противном случае, была бы (большей частью) потеряна.
Однако существует технологическое ограничение, известное как «турбояма» («турбозадержка») (за исключением моторов с двумя турбокомпрессорами — маленьким и большим, когда на малых оборотах работает маленький ТК, а на больших — большой, совместно обеспечивая подачу необходимого количества воздушной смеси в цилиндры). Мощность двигателя увеличивается не мгновенно из-за того, что на изменение частоты вращения двигателя, обладающего некоторой инерцией, будет затрачено определённое время, а также из-за того, что чем больше масса турбины, тем больше времени потребуется на её раскручивание и создание давления, достаточного для увеличения мощности двигателя. Кроме того, повышенное выпускное давление приводит к тому, что выхлопные газы передают часть своего тепла механическим частям двигателя (эта проблема частично решается заводами-изготовителями японских и корейских ДВС путём установки системы дополнительного охлаждения турбокомпрессора антифризом).
Отношение длины шатуна к длине хода поршня
Более длинный шатун уменьшает боковые нагрузки со стороны поршня на стенки цилиндра, и уменьшает ударные нагрузки. Как следствие двигатель с длинным шатуном служит дольше, и он надёжнее. Однако увеличение длины шатуна ведёт к увеличению габаритов двигателя, его массы и стоимости. Кроме того, при возрастании длины шатуна увеличивается время нахождения поршня в верхней мёртвой точке. Как следствие, увеличивается время, в течение которого газ в цилиндре находится при высокой температуре, что ведёт к повышенному нагреву двигателя.
В настоящее время более актуальным параметром оценки ДВС является отношение хода поршня к диаметру цилиндра или наоборот. Для более быстроходных бензиновых двигателей это отношение близко к 1, на дизельных моторах ход поршня, как правило, чуть больше диаметра цилиндра.
Газораспределительный механизм
Клапаны обычно управляются через распределительный вал, вращающийся со скоростью, равной половине скорости коленчатого вала. Распределительный вал имеет несколько кулачковых механизмов, каждый из которых рассчитан так, чтобы открывать и закрывать «свой» клапан в определённое время цикла.
Во многих двигателях используются один или несколько распределительных валов, расположенных над рядом цилиндров (или над каждым рядом цилиндров). Помимо верхнего расположения распредвала часто встречается, казалось бы, забытое на легковых авто нижнее положение распредвала в блоке цилиндров. При этом кинематическая цепочка включает (снизу вверх) толкатели штанги и коромысла. Эта система, применение которой обусловлено простотой, надёжностью и компактностью, успешно себя зарекомендовала на грузовых автомобилях. Эта схема позволяет конструировать моторы с более низким центром тяжести.
Первая из описанных выше конструкций газораспределительного механизма обычно позволяет двигателям работать с бо́льшими скоростями, поскольку в этом случае имеется более короткая кинематическая цепь от кулачка к клапану.
Баланс энергии
Двигатели Отто имеют КПД около 35 % — иными словами, 35 % энергии, генерируемой при сжигании топлива, преобразуется в энергию вращательного движения выходного вала двигателя, а остальное теряется в виде тепла. Для сравнения: шеститактный двигатель может преобразовывать в полезную вращательную энергию более 50 % энергии, высвобождаемой при горении топлива.
Современные двигатели часто конструктивно имеют намеренно меньший КПД, чем они могли бы иметь. Это необходимо для уменьшения выбросов с помощью таких средств как система рециркуляции выхлопных газов и каталитический конвертер.
Уменьшению КПД можно препятствовать с помощью системы контроля двигателя (англ.), использующей технологии эффективного сжигания топлива.[1]
Применение
Сегодня двигатели внутреннего сгорания в легковых и грузовых автомобилях, самолётах и во многих других машинах в большинстве случаев используют четырёхтактный цикл. Четырёхтактные двигатели могут быть как бензиновыми, так и дизельными.
Примечания
- ↑ Air pollution from motor vehicles By Asif Faiz, Christopher S. Weaver, Michael P. Walsh
В то время как четырехтактный двигатель может устранить многие из недостатков, свойственных двухтактному, у него есть свои собственные недостатки. В итоге нельзя сказать, какой из них лучше другого, все зависит от предназначения двигателя. У каждого двигателя есть свое место в мире мотоциклов, где он работает наилучшим образом и идеально подходит для этого, как ни один другой.
Пока сложно оспаривать достоинство четырехтактных двигателей с точки зрения расхода топлива и уровней выбросов, однако их повышенная сложность означает удорожание производства, что приводит к сложившейся ситуации, благодаря которой двухтактные двигатели идеальны для небольших мотоциклов серийного производства и скутеров, стоимость которых относительно невысока (хотя по-прежнему они занимают свое место среди спортивных машин с высокими показателями, по крайней мере, в настоящее время). Четырехтактные двигатели идеальны для большинства мотоциклов от 125 куб.см. и выше, от учебного мотоцикла до спортивных машин большой кубатуры с отличными, характеристиками. В свое время были распространены двухтактные двигатели среднего объема (от 250 до 750 куб см.), которые очень активно противостояли четырехтактным двигателям равного или большего объема, но те дни прошли, и теперь редко встретишь на дороге двухтактник объемом больше 250 куб, см.
1. Впуск 2. Сжатие 3. Рабочий ход 4. ВыпускВпуск, сжатие, воспламенение, выпуск
В двухтактных двигателях внутреннего сгорания четыре процесса (наполнение, сжатие.рабочий ход и выпуск.или каких иногда называют: впуск, сжатие, воспламенение, выпуск) взаимопереплетены, в четырехтактном двигателе границы между процессами более четкие, и в принципе каждому процессу отведен свой такт в цикле (хотя на практике, это не совсем так).
Конструктивно четырехтактный двигатель подобен двухтактному и состоит из основных узлов, а именно: поршня, цилиндра, шатуна и коленчатого вала. Однако у него есть множество дополнительных узлов и деталей, в совокупности известных как клапанный механизм, который служит для управления и задания фаз впуска и выпуска. Управление наполнением происходит при помощи впускного клапана, а выпуском управляет выпускной клапан, в принципе в четырехтактном двигателе они заменяют поршень и дисковый или лепестковый клапан. Можно рассмотреть множество различных схем, но все они отражают различные подходы к достижению одного и того же конечного результата.
В четырехтактном двигателе поступающая смесь попадает непосредственно в камеру сгорания, и картер больше не участвует в процессе наполнения. Несмотря на усложнение конструкции и уменьшение числа рабочих тактов вдвое, появляется возможность точнее управлять процессами впуска и выпуска и, таким образом, обеспечивать достаточно высокую эффективность двигателя.
Тарельчатые клапана
Детали клапанного механизмаКлапана
Отличительной особенностью всех четырехтактных двигателей являются клапана, если говорить точнее — тарельчатые клапана, через которые смесь попадает в камеру сгорания, а иные газы отводятся из нее. Во всех современных конструкциях клапана спроектированы исходя из формы головки цилиндра. До 50-х годов прошлого века существовало много машин, у которых клапана открывались вверх в полость камеры сгорания, расположенную сбоку от цилиндра. Такие двигатели носят название нижнеклапанных или двигателей с боковым расположением клапанов, Хотя они проще в изготовлении, их эффективность ниже по сравнению с двигателями с верхним расположением клапанного механизма. Тарельчатый клапан состоит из круглой тарелки, прикрепленной к длинному стержню, и похож на гвоздь с большой шляпкой. У тарелки клапана есть коническая уплотняющая поверхность, переходящая в стержень клапана.которая предназначена для уплотнения по соответствующей поверхности седла, расположенного в головке цилиндра (или полости камеры сгорания на нижнеклапанных двигателях). Стержень клапана проходит через направляющую в головке цилиндра и выступает снаружи.
Клапан самостоятельно закрывается и удерживается в закрытом положении сильной пружиной (иногда применяются две пружины), которая зафиксирована упором пружины, в свою очередь, закрепленном при помощи двух сухарей, установленных в канавку в верхней части стержня клапана. Привод клапанов может быть различным, но принцип один и тот же, вне зависимости от схемы газораспределительного механизма, однако за исключением распредвала используемые при этом детали сильно отличаются.
Компьютерная анимация распределительного вала, управляющего движением клапановРаспредвалы
Распредвал можно обнаружить на всех традиционных четырехтактных двигателях с тарельчатыми клапанами. Непосредственно или косвенно он используется для открытия и закрытия каждого клапана в заданной точке четырехтактного цикла. В связи стем, что цикл занимает четыре хода поршня (которые соответствуют двум полным оборотам коленчатого вала) и тем, что каждый клапан необходимо открыть один раз за цикл, частота вращения распредвала вдвое меньше частоты вращения коленчатого вала. Это означает, что за время двух полных оборотов коленчатого вала распредвал совершает один оборот, Это осуществляется за счет простого шестеренчатого, цепного или ременного привода между этими валами, при этом у шестерни или звездочки,установленной на коленчатом валу, вдвое меньшее число зубьев по сравнению с ответной деталью, установленной на распредвале.
По длине распредвала выполнены выступы механизма и открытия в заданный момент называемые кулачками, которые служат для времени соответствующего клапана.
Конструкция четырехтактного двигателя — клапанный механизм
Основная статья: Четырехтактный двигатель: Клапанный механизм
В принципе, все четырехтактные двигатели похожи, они отличаются только расположением и приводом впускных и выпускных клапанов. Как и многое другое в мотоцикле, стремление достичь высоких скоростей и мощностей привело к существенному усовершенствованию четырехтактного двигателя.
Системы впуска четырехтактных двигателей — альтернативы таральчатым клапанам
Развитие четырехтактной системы впуска шло по пути устранения, насколько это возможно, поступательно движущихся узлов клапанного механизма. В то время, как схема DOHC максимально приблизилась к этой цели, сам тарельчатый клапан остается ограничивающим фактором. Тарельчатый клапан успешно работает, но обладает очевидными недостатками. Кроме того, что он относится к возвратно-поступательно движущимся массам, он также представляет собой значительную преграду для поступающей смеси, тем самым порождая нежелательную турбулентность и сопротивление, которые препятствуют наполнению цилиндра. При разработке современных конструкций прилагается множество усилий для компенсации этих недостатков, но основные проблемы по прежнему остаются. За последние годы было предпринято бесчисленное количество попыток заменить тарельчатый клапан альтернативной системой клапанов, среди них наиболее обнадеживающим выглядит схема с вращающимся крестообразным клапаном. Он представляет собой полый цилиндр, установленный поперек головки цилиндра в специальной камере. Цилиндр клапана вращается с частотой, вдвое меньшей частоты вращения коленчатого вала двигателя, при этом прорезь в его стенке совпадает с впускным или выпускным отверстием в соответствующей точке цикла двигателя. Таким образом, клапанный механизм приводится в действие аналогично дисковому клапану двухтактных двигателей и обеспечивает свободное поступление газа в камеру сгорания. Компания Norton опробовала такие клапана на своих спортивных двигателях в начале 50-х годов XX века, но, столкнувшись с проблемой уплотнений, впоследствии вернулась к тарельчатым клапанам.
Наряду с золотниковым клапаном и клапаном типа Aspin, вращающийся крестообразный клапан был отвергнут,главным образом, из-за свойственных ему проблем герметизации, а тарельчатый клапан занимал достаточно прочные позиции для того, чтобы заставить изготовителей отказаться от дальнейших исследований. Однако концепция вращающегося клапана не забыта, и уже существует четырехтактный двигатель, в котором не используются тарельчатые клапана. Он представляет собой вращающийся цилиндр с окнами. Привод цилиндра осуществляется от коленчатого вала при помощи шестеренчатой передачи, частота вращения цилиндра ниже скорости коленчатого вала вдвое.
Существенная особенность этого двигателя — поршень, поступательно движущийся в том же самом цилиндре, то есть герметизацию обеспечивает стандартный поршень и его кольца. Посути это совмещение конструкций вращающихся клапанов, упомянутых выше, и системы каналов, используемой на двухтактном двигателе.
Фазы газораспределения четырехтактных двигателей
Естественно, что впускной клапан должен быть открыт во время такта впуска, выпускной — во время такта выпуска. Но на самом деле двигатель с такими фазами газораспределения будет обладать очень скромными характеристиками.
Моменты открытия и закрытия впускного клапана
Механизм газораспределения спроектирован тж. что впускной клапан открывается до того, как поршень окажется в ВМТ (в конце такта выпуска), а закрывается после прохождения поршнем НМТ (в начале такта сжатия). Для этого существуют очень серьезные основания. Во-первых, клапан на может открыться мгновенно. Так, если бы впускной клапан начал открываться в ВМТ, то он не был бы полностью открыт до тех пор, пока поршень не сместился бы в цилиндре на некоторое расстояние от ВМТ, и, если бы он полностью закрывался к тому моменту времени, когда поршень окажется в НМТ, то сокращалось бы фактическое время полного открытия клапана: при этом величина подъема (величина, на которую клапан выступит в цилиндр при полном открытии) будет невелика из-за времени, потраченного на открытие и закрытие. Это снизило бы количество смеси, поданной в цилиндр, а следовательно, и индикаторный КПД двигателя. Во-вторых, поступающая смесь обладает массой, и она по инерции стремится продолжать перемещение по мере поступления в цилиндр. Если впускной клапан остается открытым после НМТ, то импульс смеси способствует большему наполнению даже тогда, когда поршень начинает двигаться вверх. Угол, который коленчатый вал пройдет от НМТ до момента закрытия впускного клапана, называется «запаздыванием закрытия впускного клапана».
Моменты открытия и закрытия выпускного клапана
По аналогии с впускными клапанами в конструкцию заложено, чтобы выпускной клапан открывался до достижения поршнем НМТ (к концу рабочего хода), а закрывался после прохождения поршнем ВМТ, (в начале такта впуска). Кроме гарантии полного открытия клапана в начале такта выпуска, опережение открытия клапана предотвращает формирование демпфирующего воздействия отработавших газов (находящихся под высоким давлением), препятствующего подъему поршня в цилиндре.
Закрытие клапане после ВМТ обеспечивает полную очистку цилиндра, так как впускной клапан открывается до ВМТ на такте впуска (что означает, что оба клапана открыты одновременно), а вырывающиеся наружу отработавшие газы создают разрежение во впускном тракте, что способствует проникновению свежей смеси в цилиндр. Наполнение цилиндра свежей смесью способствует вытеснению отработавших газов. Угол, который пройдет коленчатый вал после открытия выпускного клапана до НМТ, называется «опережением открытия выпускного клапана». Угол, который коленчатый вал проходит за время, когда вблизи ВМТ одновременно открыты впускной и выпускной клапана, называется «перекрытием». Угол, в течение которого открыт клапан, называется «продолжительностью»
Опережение, запаздывание и перекрытие
Величина опережения, запаздывания и перекрытия определяет рабочие характеристики двигателя, а предназначение двигателя определяет моменты задания открытия или закрытия клапанов. Например, низкооборотные двухцилиндровые длинноходные двигатели, используемые в «кастомах» и «круиэерах», должны обладать большим запасом тяги на низах в виде крутящего момента. Их фазы газораспределения будут сильно отличаться от фаз высокооборотных многоцилиндровых короткоходных двигателей, применяемых на спортивных мотоциклах, мощность которых должна быть высокой при больших частотах вращения. Это связано с тем, что фазы газораспределения влияют на то, при каких частотах вращения достигаются максимальные крутящий момент и мощность. По мере роста частоты вращения на процессы, происходящие в двигателе, отводится меньше времени, поэтому высокооборотным двигателям требуются большие по сравнению с низкооборотными перекрытие, опережение открытия и запаздывание закрытия клапанов, чтобы впустить большее количество смеси за меньший период времени. Однако при большом перекрытии клапанов получаются невысокие характеристики при низких частотах вращения, поскольку у поступающей свежей смеси есть время, чтобы покинуть цилиндр по кратчайшему расстоянию прямо через выпускной канал. В низкооборотном двигателе на происходящие в двигателе процессы отводится большее количество времени, а необходимая величина перекрытия углов опережения открытия и запаздывания закрытия клапанов — меньше, благодаря этому достигается эффективное наполнение и продувка при низких частотах вращения двигателя. Однако это означает, что времени для подачи достаточного количества смеси недостаточно для получения удовлетворительных характеристик при высоких частотах вращения. Существует «золотая середина» между крайностями: спортивным мотоциклом и «кастомом» или «круизером», и можно получить хорошее распределение мощности во всем диапазоне частот вращения, хотя в этом случае ни «тяга на низах», ни высокая максимальная мощность не будет характерна.
Изменяемые фазы газораспределения
Каждый двигатель с постоянными фазами газораспределения — своего рода компромисс. Каждая частичка дополнительной мощности, полученной при высоких частотах вращения за счет более широких фаз газораспределения, приводит к потере крутящего момента и мощности при низких частотах вращения, и наоборот.
Термин «изменяемые фазы газораспределения» означает, что для любой заданной частоты вращения двигателя можно оптимизировать величины перекрытия, опережения открытия, запаздывания закрытия и продолжительности открытия клапанов. В начале 80-х годов XX века компания Honda разработала систему для 16-клапанного двигателя, в которой было применено дуплексное коромысло для использования при низких частотах вращения только двух из четырех клапанов в каждом цилиндре. При заданной частоте вращения оно блокировалось с дополнительным коромыслом для использования всех четырех клапанов. Система получила дальнейшее развитие за счет применения трех кулачков распредвала на одно дуплексное коромысло; центральный кулачок такого распредвала обладал большими подъемам и продолжительностью открытия клапана, чем два внешних. Это позволяло использовать при низких частотах вращения двигателя все четыре клапана за счет меньшего подъема и продолжительности открытия, затем при заданной частоте вращения для привода коромысел использовался третий кулачок, а величина подъема и продолжительность открытия возрастала. Самая последняя разработка компании Honda система — Hyper V-TEC, представленная на предназначенной для японского рынка модели Honda СВ400 Super Four в 1999 году и использованная на модели Honda VFR800 2002 года. Она возвращается к схеме, когда при низких частотах вращения работают два клапана, а при высоких-четыре, но отказывается от сложной конструкции с коромыслами, которые добавляют возвратно-поступательно движущихся масс.
В цилиндре привод пары клапанов (впускной и выпускной) осуществляется традиционными «чашеобразными» толкателями, которые работают постоянно. Привод другой пары клапанов осуществляется «чашеобразными» толкателями, которые также работают все время, но в каждом толкателе присутствует палец с отверстием, установленный между толкателем и стержнем клапана. При низких скоростях вращения отверстие располагается напротив стержня клапана, тогда контакт с толкателем отсутствует, и клапан остается закрытым. При заданной скорости открывается масляная магистраль, и под давлением масла палец располагается так, что отверстие уже не совпадает со стержнем клапана. В этом случае толкатель через палец и открывает клапан.
Компания Suzuki для моделей Suzuki GSF 400 Bandit и Suzuki RF400, предназначенных для японского рынка, разработала свою систему изменяемых фаз газораспределения. В этой системе используется электрический привод в виде сервомотора, установленного на клапанной крышке двигателя. При заданной частоте вращения двигателя сервомотор приводит в действие дополнительные клапана при помощи реечно-шестеренчатого механизма
[kkstarratings]
Статью прочитали: 628
Принцип работы 2-х и 4-х тактных двигателей
Тактом рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания является ход поршня от одной мёртвой точки до другой. Один такт соответствует 180-градусному повороту (полуобороту) коленчатого вала. При 4-х тактном процессе рабочий цикл осуществляется за два оборота вала, при 2-х тактном — за один.
Четырехтактный двигатель
Рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх основных этапов — тактов. Поршень — металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива, в промежутке между поршнем и стенками цилиндра. Пoршень снабжен металлическим стержнем — пальцем, соединение с шатуном. Шатун передаёт прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.
I этап – Впуск. В процессе впуска поршень четырёхтактного двигателя идёт из верхней мёртвой точки в нижнюю мёртвую точку. Одновременно кулачком распредвала открывается впускной клапан, в цилиндр четырёхтактного двигателя затягивается свежая топливно-воздушная смесь.
II этап – Сжатие. Пoршень четырёхтактного двигателя поднимается из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку, сжимая рабочую топливную смесь. Одновременно и значительно поднимается температура горючей смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в нижней мертвой точке и объёма камеры сгорания во внутренней мертвой точке называется степенью сжатия (не путать с компрессией). Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Но, для четырёхтактного двигателя с бОльшей степенью сжатия требуется топливо с бОльшим октановым числом, которое дороже.
III этап – Сгорание и расширение (рабочий ход поршня). Незадолго до окончания такта сжатия горючая смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания. Во время следования поршня из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до верхней мертвой точки при поджигании смеси именуется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы давление газов достигло максимальной величины когда поршень будет находиться в верхней мертвой точке. Тогда использование энергии сгоревшего топлива будет максимальным. Скороть горения топлива практически не меняется, то есть занимает фиксированное время, следовательно чтобы достичь максимальной производительности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания пропорционально уровню оборотов коленвала. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель). В более современных двигателях для регулировки угла используется электронное опережение зажигания.
IV этап – Выпуск. После нижней мертвой точки такта рабочего хода поршня четырёхтактного двигателя открывается выпускной клапан, и поднимающийся поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем верхней мертвой точки выпускной клапан закрывается и четырёхтактный цикл начинается сначала.
Необходимо также помнить, что следующий процесс (например, впуск), необязательно должен начинаться в тот момент, когда закончится предыдущий (например, выпуск). Такое положение, когда открыты сразу оба клапана (впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов необходимо для лучшего наполнения цилиндра/-ов горючей смесью, а также для лучшей очистки цилиндра/-ов четырёхтактного двигателя от отработанных газов.
Двухтактный двигатель
Двухтактный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня. Такты сжатия и рабочего хода в двухтактном двигателе происходят так же, как и в четырехтактном, но процессы очистки и наполнения цилиндра совмещены и осуществляются не в рамках отдельных тактов, а за короткое время, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки, с помощью вспомогательного агрегата — продувочного насоса.
В связи с тем, что в двухтактном двигателе при равном количестве цилиндров и числе оборотов коленчатого вала рабочие ходы происходят вдвое чаще, литровая мощность двухтактных двигателей выше чем четырехтактных — теоретически в два раза, на практике в 1,5-1,7 раза, так как часть полезного хода поршня занимают процессы газообмена, а сам газообмен менее совершенный чем у четырехтактных двигателей.
В отличие от четырехтактных двигателей, где вытеснение отработавших газов и всасывание свежей смеси осуществляется самим поршнем, в двухтактных двигателях газообмен выполняется за счет подачи в цилиндр рабочей смеси или воздуха (в дизелях) под давлением, создаваемым продувочным насосом, а сам процесс газообмена получил название — продувка. В процессе продувки свежий воздух (смесь) вытесняет продукты сгорания из цилиндра в выпускные органы, занимая их место.
По способу организации движения потоков продувочного воздуха (смеси) различают двухтактные двигатели с контурной и прямоточной продувкой.
Контурная продувка
При контурной продувке поток воздуха (смеси) движется вдоль внутренней поверхности цилиндра и его головки, повторяя их контур (отсюда название). Впускные и выпускные органы — окна в стенках цилиндра — расположены в его нижней части. Открытие и закрытие впускных и выпускных окон осуществляется самим поршнем, а специальный газораспределительный механизм отсутствует. Направление потока воздуха (смеси) по контуру цилиндра может осуществляться специальными дефлекторами на днище поршня и в головке цилиндра (в этом случае продувка называется дефлекторной) или специальной формой продувочных каналов, направляющих поток воздуха (смеси) к головке цилиндра, и сферической формой головки. Так как в последнем случае воздух (смесь) в цилиндре описывает петлю, такой тип продувки называется возвратно-петлевой или просто петлевой.
Прямоточная продувка
При прямоточной продувке поток воздуха (смеси) движется, не меняя направления, вдоль оси цилиндра. Управлять открытием и закрытием продувочных и выпускных окон одним поршнем невозможно, что требует применения специальных устройств. Может использоваться клапанный механизм, установленный в головке цилиндра, через который происходит выпуск отработавших газов (продувочные окна открываются и закрываются поршнем), или два поршня, встречно движущихся в одном цилиндре (один поршень управляет впускными окнами, другой выпускными).
При прямоточной продувке качество очистки цилиндра от остаточных газов существенно лучше, чем при контурной. Кроме того, поскольку открытие (и закрытие) выпускных и продувочных органов осуществляется различными элементами двигателя, подбор оптимальных фаз газораспределения не представляет затруднейний. Как правило, в двигателях с прямоточной продувкой выпускной клапан (выпускное окно) закрывается раньше продувочного, что исключает потерю свежего заряда и позволяет осуществлять дозарядку с повышением давления (то есть наддув).
Преимущества и недостатки 2-х и 4-х тактных подвесных лодочных моторов
Преимущества 2-х тактных перед 4-х тактными
Во-первых, меньший вес. Пример: 15 л.с. 2-х тактный 36 кг 4-х тактный 45 кг. Казалось — бы 45 кг. — легко. Все не так просто. Вес мотора распределен крайне неравномерно. Примерно 90% весит голова (сам двигатель) 10% нога. Не нужно также забывать и о большем у 4-х тактников размере головы. Все это + одна маленькая не всегда удобная ручка для переноски делает этот процесс крайне затруднительным.
Во-вторых, цена. 4-х тактные двигатели сложнее в производстве, состоят из большего количества деталей, поэтому всегда дороже 2-х тактников.
В-третьих, удобство перевозки 2-х тактника. Можно возить в любом положении, перед началом эксплуатации не требует отвешивания. Т.е. достал из багажника, поставил, завел, поехал.
В-четвертых, 2-х такт мотор живее реагирует на ручку газ. В 4-х тактниках для совершения полного рабочего цикла поршню необходимо сделать 2 полных оборота в то время как в 2-х тактных только один.
Частый вопрос: А правда ли что 4-х такная 15 л.с. бежит быстрее чем такая же 2-х тактная?
Ответ: нет не правда. У обеих этих двигателей мощность на валу 15 л.с. При прочих равных условиях почему один мотор должен ехать быстрее второго?
Недостатки 2-тактных перед 4-тактными
Во-первых, больший расход топлива. Напомним, примерный расход можно высчитать по формуле: для 2 такта 300 грамм на одну лошадинную силу для 4 такта 200 грамм.
Во-вторых, шумность. На максимальных оборотах 2-х тактные моторы как правило работают немного громче 4х тактников.
В-третьих, комфорт. 4-х тактные моторы не так вибрируют на малых оборотах (Касается только двухцилинровых двигателей. Одноцилиндровые и 2-х и 4-х тактники вибрируют примерно одинаково) и не так дымят как 2-х тактники. Дымность важный момент, особенно если вы любите заниматься троллингом.
В-четвертых, долговечность. Довольно спорный пункт. Бытует мнение, что 2-хтактные моторы менее долговечны. С одной стороны это понятно, потому как масло для смазки трущихся элементов двигателя подается вместе с бензином, а значит работает не так эффективно в отличие от 4-х тактных двигателей где трущиеся элементы буквально плавают в масле. Но с другой стороны 4-х тактный мотор по конструкции намного сложнее конкурента, состоит из значительно большего числа деталей, а золотой принцип механики «Чем проще тем надежнее» еще никто не отменял.
Какой же мотор выбрать?
Конечное решение всегда остается за вами, в этой статье мы лишь постарались дать объективную оценку этим моторам, поэтому взвесьте все за и против изложенные выше и сделайте выбор самостоятельно. Однозначного ответа на вопрос: какой из моторов лучше вы не найдете ни в одной из книг ни на одном из форумов, все зависит от того чего вы хотите от приобретаемого вами мотора, условия его использования и, конечно, ваши возможности.
принцип работы, ремонт :: SYL.ru
Двигатели внутреннего сгорания должны были заменить промышленную паровую машину. Однако энтузиасты, которые работали над созданием мотора, смогли ощутить потенциал, который заложен в него. Изобретателям удалось отыскать способы, которые позволили в значительных пределах увеличить мощность агрегата без существенного увеличения массы. Так, Николаус Отто сыграл одну из главных ролей в этом проекте.
Он создал самый первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.Как Отто двигатель разрабатывал
Агрегат, изобретенный ученым по имени Альфонс Бо де Роша, а затем построенный немецким инженером Николаусом Отто в 1867 году, в те годы считался максимумом технологичности и практически совершенством. Аналогов для него просто не существовало. Мотор был очень недорогим в эксплуатации, имел компактные размеры, а также ему не нужно было частое обслуживание.
Работа четырехтактного двигателя была построена по четкому алгоритму. Сегодня его называют «циклом Отто». В 1875 г. Николаус Отто в своей компании выпускал больше, чем 600 двигателей за год.
От четырехтактного ДВС до автомобиля
В команде инженеров, которые работали над созданием агрегата, был один талантливый парень – Готлиб Даймлер.
Он тогда горел идеей создания на базе этого мотора настоящего автомобиля. Но Отто не желал модернизировать уже имевшийся успешный мотор. Даймлер был вынужден уйти из проекта, но желание построить автомобиль никуда не делось.
В итоге вместе со своим другом и единомышленником в 1889 году Даймлер таки собирает автомобиль, в основе которого лежит бензиновый четырехтактный двигатель, функционирующий по алгоритму Отто.
Отличие 4-тактного двигателя от 2-тактного
Цикл работы ДВС – это несколько процессов, которые направлены на получение порции силы, которая будет воздействовать на коленвал. Цикл этот состоит из впрыска топлива, сжатия, зажигания топливной смеси, расширения газов, выпуска.
Такт в двигателе внутреннего сгорания – это один ход поршня либо вверх, либо вниз. В двухтактном моторе за один оборот коленвала совершается два такта. Когда газы расширяются, поршень совершает полезную работу.
Агрегаты, где рабочий ход происходит в два такта, называют двухтактными. А если за два оборота коленчатого вала совершается четыре такта, то это уже четырехтактный двигатель.
И те, и другие могут быть как бензиновыми, так и для дизельного топлива. Чтобы понять особенности конструкции и эксплуатации, различия между разными моторами, нужно рассмотреть принципы их работы.
Принцип работы четырехтактного двигателя
Главное отличие 4-тактного ДВС от 2-тактного — в работе газораспределения.
Так, имеются отдельные фазы для впуска и выпуска. Этими фазами заведуют впускные и выпускные клапаны, которые располагаются в головке блока цилиндров. Открываются и закрываются клапаны при помощи распределительного вала, который приводится в действие от вращения коленчатого вала.Такт впуска
На первом такте осуществляется впуск. В этот самый момент поршень начинает свое движение вниз из своей верхней мертвой точки. В цилиндре вследствие этого создается разряжение. Тем временем открывается впускной клапан. Топливная смесь всасывается в полость цилиндра. Когда поршень достигает своего крайнего нижнего положения, клапан впуска закрыватся и впускная фаза полностью завершается.
Сжатие топливной смеси
Это второй такт. Здесь поршень движется вверх, а клапаны полностью закрыты. В этот момент топливно-воздушная смесь сжимается, тем самым нагреваясь. Это нужно для более эффективного сгорания смеси.
Рабочий ход поршня
Поршень не доходит до своего крайнего верхнего положения. В бензиновых агрегатах – от свечи, а в дизельных – от сжатия топливная смесь загорается. Газы от сгорания очень резко расширяются, сила воздействует на поршень, и он идет вниз. Так четырехтактный двигатель совершает работу.
Выпуск отработанных газов
После того как поршень совершил свою полезную работу, он находится в крайнем нижнем положении. Теперь нужно удалить из полости цилиндра отработанные газы. Это выполняется через выпускной клапан. Газы выталкиваются из цилиндра в тот момент, когда поршень идет вверх.
Такты в дизельных ДВС
Порядок или алгоритм в дизельных двигателях отличается только тем, что в момент сжатия в полость цилиндра подается лишь воздух. Дизельное топливо подается в камеру только в конце такта сжатия топлива при помощи форсунок.
Отличия двухтактного и четырехтактного двигателя
Среди основных отличий, как уже говорилось, выделяется разная система газообмена.
Двигатель внутреннего сгорания имеет для этого специальный газораспределительный механизм, который отвечает за открытие и закрытие клапанов в нужный момент цикла.В двухтактном же моторе и процесс заполнения камеры сгорания, и ее очистка осуществляются вместе с тактом сжатия и расширения. Для этого в цилиндре имеются специальные технологические отверстия для впуска смеси и выброса газов. В агрегатах с такой конструкцией нет механизма ГРМ, что делает эти моторы гораздо проще и легче.
Одноцилиндровый четырехтактный двигатель
Моторы этой конструкции очень распространены. Их можно найти не только в автомобилях, но и в мотоциклах, скутерах, тракторах, мотоблоках. В Китае производят литровые двигатели, которые используются для работы с мотоблоками.
Одно из главных достоинств таких ДВС — это очень маленькое отношение площади камеры сгорания к объему. Это дает минимальные потери тепловой энергии. КПД в таких двигателях очень высокий.
Устройство аналогично многоцилиндровым двигателям. Ничего нового здесь нет.
Все те же четыре рабочих такта.Этот четырехтактный двигатель предназначен для применения в утилитарных мотоциклах, мопедах, скутерах.
Капризы одноцилиндровых моторов
Во время работы двигателя создаются очень высокие температуры. Детали, которые работают в парах трения, должны периодически охлаждаться и хорошо смазываться. Зазоры между узлами нужно промывать, чтобы удалить продукты износа. Также хорошее масло отлично отводит тепло от поверхностей, которые работают наиболее интенсивно.
Также нужно позаботиться о хорошей дополнительной системе охлаждения. В мотоциклах и скутерах охлаждение зачастую воздушное.
Четырехтактники на мотоциклах
Да, эти моторы очень популярны среди производителей хороших, серьезных мотоциклов. Основное отличие – это дизайн. Если в автомобилях двигатель спрятан под капотом и дизайн его особо не разрабатывали, то в мире мотоциклов внешний вид силового агрегата имеет серьезное значение.
Вот уже более 15 лет в моде двухцилиндровый четырехтактный двигатель мотоцикла, представленный сегодня множеством моделей с самым разным объемом. Отличить такие двигатели можно по характерному звуку.
Однако среди мотоциклистов особой популярностью пользуются рядные четырехцилиндровые агрегаты. Эти моторы лишь немного опережают автомобильные ДВС. К примеру, схема на четырех клапанах лишь недавно получила признание в строительстве автомобилей. А на мотоциклах она использовалась еще с 70-х.
Для мотоцикла четырехтактник является более актуальным. Так, эти ДВС более экономичны, эффективны, экологичны, чем двухтактные агрегаты. Это – преимущества данных двигателей на мотоциклах. Также двигатели для мотоциклов сделаны таким образом, чтобы работать на высоких оборотах. Максимальная мощность выдается на оборотах до 14-16 тысяч на современных моделях.
Новые технологии по старому принципу
С того самого момента, как изобрели четырехтактный двигатель, он постоянно совершенствовался.
Много новинок пришлось на механизм ГРМ. К примеру, сейчас число клапанов на цилиндр может доходить и до 5-ти. Современные производители также применяют особые системы изменения фаз распределения газов.Произошли изменения и в системе питания. Современные моторы больше не используют карбюратор – везде инжекторы и электроника.
Чтобы улучшить наполняемость камер сгорания воздухом, применяют системы наддува. Это позволяет увеличить мощность при малом объеме, а также снизить расход топлива.
Но при всем этом принцип действия ДВС остается все тем же, каким и был.
Четыре такта: недостатки и достоинства
Основной и «жирный» плюс таких агрегатов – это экономичность. К тому же они не слишком шумные.
Применение вместе с ними катализаторов позволяет снизить токсичность выброса отработанных газов.Еще одно преимущество — это, конечно же, высокая надежность. Ресурс может доходить до миллиона километров, и это далеко не предел. Ремонт четырехтактного двигателя нужно делать не так часто.
Среди недостатков – сложная конструкция, дорогое производство, требовательность в эксплуатации. Этим агрегатам обязательно нужно качественное топливо и масло. Осуществить ремонт самостоятельно практически невозможно.
Чтобы с этими моторами никогда не было проблем, «кормите» их только качественным бензином. И тогда они будут работать долго, надежно и исправно. Конструкция, которая столько лет не меняется, – это показатель надежности и эффективности.
Четырехтактный двигатель
Четырехтактный цикл используется в бензиновых / бензиновых двигателях. Правая синяя сторона — это впуск, а левая желтая сторона — это выхлоп. Стенка цилиндра представляет собой тонкий рукав, окруженный охлаждающей жидкостью. Видеомонтаж двигателей Otto, работающих на объединении паровых молотилок в Западной Миннесоте (WMSTR) в Роллаге, штат Миннесота.Четырехтактный двигатель , также известный как четырехтактный , представляет собой двигатель внутреннего сгорания, в котором поршень совершает четыре отдельных такта — впуск, сжатие, мощность и выпуск — за два отдельных оборота коленчатого вала двигателя, и один единственный термодинамический цикл.
Существует два распространенных типа двигателей, которые тесно связаны друг с другом, но имеют существенные различия в конструкции и поведении. Самым ранним из них является двигатель цикла Отто, который был разработан в 1876 году Николаусом Августом Отто в Кельне, Германия, [1] , после принципа работы, описанного Alphonse_Beau_de_Rochas в 1861 году. Этот двигатель чаще всего называют бензиновый двигатель или бензиновый двигатель, после топлива, которое приводит его в действие. [2] Вторым типом четырехтактного двигателя является дизельный двигатель, разработанный в 1893 году Рудольфом Дизелем, также из Германии.Дизель создал свой двигатель, чтобы максимизировать эффективность, которой не хватало в двигателе Отто. Существует несколько основных различий между двигателем Отто и четырехтактным дизельным двигателем. Дизельный двигатель выполнен в двухтактной и четырехтактной версиях. По иронии судьбы компания Отто Deutz AG производит преимущественно дизельные двигатели в современную эпоху.
Цикл Отто назван в честь двигателя Николая А. Отто 1876 года, который создал успешный четырехтактный двигатель, основанный на работе Жана Жозефа Этьена Ленуара. [1] Это был третий тип двигателя, разработанный Отто. Он использовал раздвижные ворота пламени для зажигания своего топлива, которое представляло собой смесь освещающего газа и воздуха. После 1884 года Отто также разработал магнит, позволяющий использовать электрическую искру для зажигания, которая была ненадежной на двигателе Ленуара.
В настоящее время двигатель внутреннего сгорания (ДВС) используется в мотоциклах, автомобилях, лодках, грузовиках, самолетах, кораблях, тяжелом машинном оборудовании и в своем первоначальном предназначении использовался в качестве стационарной энергии как для производства кинетической, так и электрической энергии.Дизельные двигатели используются практически во всех тяжелых условиях эксплуатации, таких как грузовые автомобили, корабли, локомотивы, генераторы электроэнергии и стационарные установки. Многие из этих дизельных двигателей являются двухтактными с номинальной мощностью до 105 000 л.с. (78 000 кВт).
Четыре цикла относятся к циклам впуска, сжатия, сгорания (мощность) и выхлопа, которые происходят во время двух оборотов коленчатого вала за цикл мощности четырехтактных двигателей. Цикл начинается в Верхняя мертвая точка (ВМТ), когда поршень находится дальше всего от оси коленчатого вала.Цикл относится к полному перемещению поршня от верхней мертвой точки (TDC) к нижней мертвой точке (BDC). (См. Мертвую точку).
- Ход поршня
- : на впуске , ход поршня или , ход поршня , поршень опускается от верхней части цилиндра к нижней части цилиндра, снижая давление внутри цилиндра. Смесь топлива и воздуха или просто воздуха в дизельном двигателе нагнетается атмосферным (или большим) давлением в цилиндр через впускной канал.Впускной клапан (ы) затем закройте. Объем воздушно-топливной смеси, которая втягивается в цилиндр, относительно объема цилиндра называется объемным КПД двигателя.
- Ход компрессии: при закрытых впускных и выпускных клапанах поршень возвращается к верхней части цилиндра, сжимая воздух или топливовоздушную смесь в камеру сгорания головки цилиндра. Ход POWER
- : это начало второго оборота двигателя. В то время как поршень находится близко к верхней мертвой точке, смесь сжатого воздуха с топливом в бензиновом двигателе зажигается, как правило, свечой зажигания, или топливо впрыскивается в дизельный двигатель, который воспламеняется из-за тепла, выделяемого в воздухе во время такт сжатия.Результирующее сильное давление от сгорания сжатой топливно-воздушной смеси заставляет поршень вернуться вниз к нижней мертвой точке.
- Ход ВЫПУСКА: во время хода выпуска поршень снова возвращается в верхнюю мертвую точку, когда выпускной клапан открыт. Это действие удаляет сгоревшие продукты сгорания из цилиндра, вытесняя отработанную топливно-воздушную смесь через выпускной клапан (ы).
История
цикл Отто
Двигатель Отто производства США 1920-х годовНиколаус Август Отто в молодости был коммивояжером в продуктовом концерне.В своих путешествиях он столкнулся с двигателем внутреннего сгорания, построенным в Париже бельгийским экспатриантом Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром. В 1860 году Ленуару удалось создать двигатель двойного действия, работающий на газе с эффективностью 4%. 18-литровый двигатель Ленуара смог произвести только 2 лошадиных силы. Двигатель Ленуара работал на осветительном газе, который был сделан из угля, который был разработан в Париже Филиппом Лебоном. [1] [3]
При тестировании точной копии двигателя Ленуара в 1861 году Отто стало известно о влиянии сжатия на заряд топлива.В 1862 году Отто попытался изготовить двигатель, чтобы улучшить низкую эффективность и надежность двигателя Ленуара. Он попытался создать двигатель, который сжимал бы топливную смесь до воспламенения, но потерпел неудачу, поскольку этот двигатель работал не более, чем за несколько минут до его разрушения. Многие инженеры также пытались решить проблему без успеха. [3]
В 1864 году Отто и Евгений Ланген основали первую компанию по производству двигателей внутреннего сгорания NA Otto and Cie (NA Otto and Company) .В том же году Отто и Си удалось создать успешный атмосферный двигатель. [3]
На заводе не хватило места, и в 1869 году он был перемещен в город Дойц, Германия, где компания была переименована в Deutz Gasmotorenfabrik AG (Компания по производству газовых двигателей Deutz). [3] В 1872 году Готтлиб Даймлер был техническим директором, а Вильгельм Майбах был главой по проектированию двигателей. Даймлер был оружейным мастером, который также работал на двигателе Ленуара ранее.
К 1876 году Отто и Лангену удалось создать первый двигатель внутреннего сгорания , который сжимал топливную смесь до сгорания с гораздо более высокой эффективностью, чем любой двигатель, созданный к этому времени. [1]
Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах покинули свои рабочие места в Отто и Си и разработали первый высокоскоростной двигатель Отто в 1883 году. В 1885 году они выпустили первый автомобиль, оснащенный двигателем Отто. Petroleum Reitwagen использовала систему зажигания с горячей трубкой и топливо, известное как Ligroin, чтобы стать первым в мире двигателем внутреннего сгорания с двигателем внутреннего сгорания, использующим четырехтактный двигатель, разработанный по проекту Николауса Отто. В следующем году Карл Бенц выпустил автомобиль с четырехтактным двигателем, который некоторые называют первым в мире автомобилем.
В 1884 году компания Отто, ныне известная как Gasmotorenfabrik Deutz (GFD), разработала электрическое зажигание и карбюратор.
В 1890 году Daimler и Maybach создали компанию, известную как Daimler Motoren Gesellschaft. Сегодня эта компания известна как Daimler-Benz.
Смотрите двигатель Отто для более подробной информации.
Дизельный цикл
Audi Diesel R15 в Ле-МанеДизельный двигатель (см. Эту страницу) является техническим усовершенствованием двигателя 1876 года Otto Cycle. Когда Отто понял в 1861 году, что эффективность двигателя можно повысить, сначала сжав топливную смесь до ее воспламенения, Рудольф Дизель хотел разработать более эффективный тип двигателя, который мог бы работать на гораздо более тяжелом топливе.Двигатели Lenoir, Otto Atmospheric и Otto Compression (как 1861, так и 1876) были разработаны для работы на освещающем газе (угольный газ). С той же мотивацией, что и Отто, Дизель хотел создать двигатель, который давал бы малым промышленным предприятиям собственный источник энергии, чтобы они могли конкурировать с более крупными компаниями, и, как Отто, уходил от требования быть привязанным к муниципальным поставкам топлива. Как и Отто, потребовалось более десяти лет, чтобы создать двигатель с высокой степенью сжатия, который самовоспламенял бы свое топливо, когда это топливо распылялось в цилиндр.Дизель использовал воздушный спрей в сочетании с топливом в своем первом двигателе.
Во время первоначальной разработки один из двигателей лопнул, почти убив дизель. В 1893 году он продолжил работу и в конце концов создал двигатель. Двигатель с высокой степенью сжатия, который воспламеняет свое топливо за счет тепла сжатия, теперь называется дизельным двигателем, будь то четырехтактный или двухтактный.
Четырехтактный дизельный двигатель использовался в большинстве тяжелых условий эксплуатации на протяжении многих десятилетий. Главной из причин этого является то, что в нем используется тяжелое топливо, которое содержит больше энергии, требует меньше очистки и дешевле в производстве (хотя в некоторых районах мира дизельное топливо стоит дороже, чем бензин).Самые эффективные двигатели Otto Cycle работают с КПД около 30%. Volkswagen Jetta TDI 1.9 литровый двигатель достигает 46%. Он использует усовершенствованную конструкцию с турбонаддувом и непосредственным впрыском топлива. У некоторых корабельных дизелей BMW с керамической изоляцией эффективность превышала 60%.
Audi и Peugeot соревнуются в гонках на выносливость серии Ле-Ман с гоночными автомобилями с дизельным двигателем. Это четырехтактные, четырехклапанные, высокооборотные дизельные двигатели с турбонаддувом, которые доминируют в основном из-за экономии топлива и необходимости делать меньше остановок.
Термодинамический анализ
Чарльз Лоу Идеализированная четырехтактная диаграмма p-V цикла Отто: ход впуска (A) выполняется изобарическим расширением, за которым следует ход сжатия (B), выполняемый адиабатическим сжатием. В результате сгорания топлива образуется изохорный процесс, за которым следует адиабатическое расширение, характеризующее ход мощности (C). Цикл замыкается изохорным процессом и изобарическим сжатием, характеризующимвыхлоп (D) ход.
Термодинамический анализ фактических четырехтактных или двухтактных циклов не является простой задачей. Однако анализ можно значительно упростить, если использовать стандартные воздушные предположения [4] . Результирующий цикл, который очень напоминает фактические рабочие условия, является циклом Отто.
октановые требования
Топливо октановое число
Основная статья: Октан рейтингOtto Engines
Во время цикла сжатия двигателя внутреннего сгорания со сжатым зарядом температура топливовоздушной смеси повышается, как описано законом Чарльза, исключительно из-за сжатия газов.Повышение температуры составляет несколько сотен градусов.
Огнеупорная башня, показывающая различный вес различных продуктов.Топливо, используемое в четырехтактных двигателях, чаще всего представляет собой фракции сырой нефти, каменноугольной смолы, горючего сланца или песков, которые производятся в процессе, называемом крекингом нефти. Температура воспламенения преломленного топлива зависит от его массы. Он отделен, будучи нагреванием и извлекается на различных высотах в огнеупорной башне. Чем больше паров топлива поднимается в башне, тем меньше ее вес и меньше энергии она содержит.При преломлении нефти существует стандартный вес топлива и продуктов, которые отбираются и которые связаны с конкретным извлеченным материалом. Бензин является легким огнеупорным продуктом и называется легкой фракцией. Как легкая фракция имеет относительно низкую температуру вспышки (то есть температуру, при которой она начинает гореть при смешивании с окислителем).
Топливо с низкой температурой вспышки может самовоспламеняться во время сжатия, а также может воспламениться от отложений углерода, оставшихся в цилиндре или головке грязного двигателя.В двигателе внутреннего сгорания самовоспламенение может произойти в неожиданное время. Во время нормальной работы двигателя, когда топливная смесь сжимается, создается электрическая дуга для зажигания топлива. На низких оборотах это происходит близко к ВМТ (верхняя мертвая точка). Когда число оборотов двигателя увеличивается, точка искры перемещается вперед, так что заряд топлива может воспламениться в более эффективной точке сжатия заряда топлива, чтобы позволить топливу начать гореть, даже когда оно все еще находится в сжатом состоянии. Это создает более эффективную мощность, основанную на повышении молекулярной плотности рабочего тела, поскольку это является основой эффективности в двигателе IE со сжатым зарядом.Более плотная рабочая среда (воздушно-топливная смесь) будет испытывать большее тепло, и, следовательно, давление возрастет на меньшее количество, когда его молекулы будут плотнее упакованы вместе.
Мы можем видеть это в двух конструкциях двигателей Отто. Компрессионный двигатель работал с КПД 12%. Двигатель со сжатым зарядом имел КПД 30%. Дизельный двигатель может достигать 70% (лабораторный двигатель Дизеля испытан на 75,6% КПД, VW TDI на 46%).
Проблема с двигателями со сжатым зарядом заключается в том, что повышение температуры сжатого заряда может вызвать предварительное воспламенение.Если это происходит не вовремя и слишком энергично, это может привести к поломке двигателя. Фракции нефти имеют очень разные температуры вспышки (температура, при которой топливо может самовоспламеняться). Это необходимо учитывать при проектировании двигателя и топлива.
В двигателях искра задерживается при запуске двигателя и прогрессирует только до соответствующей величины, основанной на оборотах двигателя. Это определяется лабораторными исследованиями. Поскольку двигатель вращается быстрее, он может принять более раннее зажигание, так как движущийся фронт пламени не успеет быть разрушительным.
В топливе тенденция к преждевременному воспламенению сжатой топливной смеси ограничена химическим составом топлива. Существует несколько сортов топлива для разных уровней производительности двигателей. Топливо изменяется, чтобы изменить температуру самовоспламенения. Есть несколько способов сделать это. Поскольку двигатели спроектированы с более высокими степенями сжатия, результат состоит в том, что предварительное воспламенение намного более вероятно, так как топливная смесь будет сжата до более высокой температуры до преднамеренного воспламенения.Более высокая температура будет более эффективно испарять топливо, такое как бензин, и это является фактором более высокой эффективности двигателя с более высокой степенью сжатия. Более высокие коэффициенты сжатия также означают, что расстояние, которое поршень может протолкнуть для выработки мощности, больше (что называется коэффициентом расширения).
Таким образом, должны быть стандартизированные испытания и стандартная система отсчета, чтобы описать вероятность самовоспламенения топлива. Оценка октана является мерой сопротивления топлива самовоспламенению. Топливо с более высоким числовым октановым числом обеспечивает более высокую степень сжатия, которая извлекает больше энергии из топлива и более эффективно преобразует эту энергию в полезную работу, в то же время предотвращая повреждение двигателя от предварительного зажигания.Топливо с высоким октановым числом также дороже.
Дизельные двигатели
Дизельные двигатели по своей природе не имеют проблем с предварительным зажиганием. Они обеспокоены тем, можно ли начать горение. Описание вероятности воспламенения дизельного топлива называется рейтингом цетана. Поскольку дизельное топливо обладает низкой летучестью, его может быть очень трудно запустить в холодном состоянии. Для запуска холодного дизельного двигателя используются различные методы, наиболее распространенным из которых является использование свечи накаливания.
В некоторых случаях, например, при сжигании отработанного растительного масла, само топливо является твердым, и перед использованием его необходимо нагреть до разжижения.Обычная жалоба заключается в том, что выхлоп может иметь запах картофеля фри.
Принципы проектирования и проектирования
Выходная мощность ограничения
Четырехтактный цикл1 = TDC
2 = BDC
A: впуск
B: компрессия
C: мощность
D: Выхлоп
Максимальная мощность, вырабатываемая двигателем, определяется максимальным количеством поступающего воздуха. Количество энергии, генерируемой поршневым двигателем, зависит от его размера (объема цилиндра), будь то двухтактный или четырехтактный дизайн, объемного КПД, потерь, отношения воздух-топливо, теплотворной способности топлива. Содержание кислорода в воздухе и скорость (об / мин).Скорость в конечном счете ограничена прочностью материала и смазкой. Клапаны, поршни и шатуны испытывают сильные ускорения. При высокой частоте вращения двигателя могут произойти физическая поломка и трепетание поршневого кольца, что приведет к потере мощности или даже разрушению двигателя. Трепет поршневых колец возникает, когда кольца колеблются вертикально в канавках поршней, в которых они находятся. Трепетание колец нарушает уплотнение между кольцом и стенкой цилиндра, что приводит к потере давления и мощности в цилиндре.Если двигатель вращается слишком быстро, пружины клапана не могут действовать достаточно быстро, чтобы закрыть клапаны. Обычно это называется «поплавком клапана», и это может привести к контакту поршня с клапаном, что серьезно повредит двигатель. На высоких скоростях смазка поверхности стенок поршневого цилиндра имеет тенденцию разрушаться. Это ограничивает скорость поршня для промышленных двигателей до 10 м / с.
Поток впускного / выпускного отверстия
Выходная мощность двигателя зависит от способности впускного (топливовоздушная смесь) и выхлопного материала быстро перемещаться через клапанные отверстия, обычно расположенные в головке цилиндров.Чтобы увеличить выходную мощность двигателя, неровности на впускном и выпускном каналах, такие как дефекты отливки, можно устранить, и с помощью стенда потока воздуха радиусы поворотов отверстий клапана и конфигурацию седла клапана можно изменить, чтобы уменьшить сопротивление. Этот процесс называется портированием, и его можно выполнить вручную или с помощью станка с ЧПУ.
Наддув
Одним из способов увеличения мощности двигателя является нагнетание большего количества воздуха в цилиндр, чтобы можно было получать больше энергии за каждый рабочий ход.Это может быть сделано с использованием какого-либо типа устройства для сжатия воздуха, известного как нагнетатель, который может приводиться в действие коленчатым валом двигателя.
Наддув увеличивает пределы выходной мощности двигателя внутреннего сгорания относительно его рабочего объема. Чаще всего нагнетатель всегда работает, но были конструкции, позволяющие отключать его или работать с различными скоростями (относительно частоты вращения двигателя). Недостатком механического привода является то, что некоторая часть выходной мощности используется для привода нагнетателя, в то время как мощность расходуется в выхлопе высокого давления, поскольку воздух сжимается дважды, а затем получает больший потенциальный объем в процессе сгорания, но он только расширяется. в один этап.
Турбонаддув
Турбокомпрессор — это нагнетатель, который приводится в движение выхлопными газами двигателя посредством турбины. Он состоит из двух частей высокоскоростной турбины в сборе, одна сторона которой сжимает всасываемый воздух, а другая сторона питается отработавшим газом.
При работе на холостом ходу и на низких и средних скоростях турбина вырабатывает мало энергии из-за небольшого объема выхлопных газов, турбонагнетатель оказывает незначительное влияние, и двигатель работает почти безнаддувным образом.Когда требуется гораздо большая выходная мощность, частота вращения двигателя и открытие дросселя увеличиваются до тех пор, пока выхлопные газы не станут достаточными, чтобы «раскрутить» турбину турбокомпрессора, чтобы начать сжимать намного больше воздуха, чем обычно, во впускной коллектор.
Турбокомпрессоробеспечивает более эффективную работу двигателя, поскольку он приводится в действие давлением выхлопных газов, которое в противном случае (главным образом) было бы потрачено впустую, но существует ограничение конструкции, известное как турбо-запаздывание. Увеличенная мощность двигателя не доступна сразу, из-за необходимости резко увеличить обороты двигателя, для создания давления и ускорения турбины, прежде чем турбина начнет делать любое полезное сжатие воздуха.Увеличенный объем впуска вызывает увеличение выхлопа и ускоряет вращение турбины, и так далее, пока не будет достигнута стабильная работа на высокой мощности. Другая трудность состоит в том, что более высокое давление выхлопных газов заставляет выхлопной газ передавать больше своего тепла механическим частям двигателя.
Соотношение штока и поршня к ходу
Отношение шатуна к ходу — это отношение длины шатуна к длине хода поршня. Более длинный шток уменьшит боковое давление поршня на стенку цилиндра и силы напряжения, увеличивая тем самым срок службы двигателя.Это также увеличивает стоимость и высоту двигателя и вес.
«Квадратный двигатель» — это двигатель с диаметром отверстия, равным его длине хода. Двигатель, у которого диаметр отверстия больше, чем длина его хода, является двигателем с перекрёстным квадратом, и наоборот, двигатель с диаметром отверстия, меньшим, чем длина его хода, является двигателем с квадратом.
Valvetrain
Клапаны обычно приводятся в действие распределительным валом, вращающимся с половиной скорости вращения коленчатого вала. Он имеет ряд кулачков вдоль своей длины, каждый из которых предназначен для открытия клапана во время соответствующей части такта впуска или выпуска.Толкатель между клапаном и кулачком является контактной поверхностью, по которой кулачок скользит, открывая клапан. Многие двигатели используют один или несколько распределительных валов «над» рядом (или каждым рядом) цилиндров, как на иллюстрации, в которой каждый кулачок непосредственно приводит в действие клапан через плоский толкатель. В других конструкциях двигателя распределительный вал находится в картере, и в этом случае каждый кулачок контактирует с толкателем, который контактирует с рычагом коромысла, который открывает клапан. Конструкция подвесного кулачка обычно обеспечивает более высокие обороты двигателя, поскольку обеспечивает наиболее прямой путь между кулачком и клапаном.
Зазор клапанов
Зазор клапана — это небольшой зазор между толкателем клапана и штоком клапана, который обеспечивает полное закрытие клапана. На двигателях с механической регулировкой клапана чрезмерный зазор будет вызывать шум в клапанной системе. Обычно зазор необходимо перенастраивать каждые 20 000 миль (32 000 км) с помощью щупа.
Большинство современных серийных двигателей используют гидравлические подъемники для автоматической компенсации износа компонентов клапанной системы. Грязное моторное масло может привести к поломке подъемника.
Энергетический баланс
ДвигателиOtto работают примерно на 30%. другими словами, 30% энергии, генерируемой при сгорании, преобразуется в полезную энергию вращения на выходном валу двигателя, в то время как остальная часть составляет потери из-за трения, принадлежностей двигателя и отработанного тепла. [5] Есть несколько способов восстановить часть энергии, потерянной для потери тепла. Использование турбонагнетателя в дизельных двигателях очень эффективно за счет повышения давления поступающего воздуха и, по сути, обеспечивает такое же увеличение производительности, что и увеличение рабочего объема.Компания Mack Truck десятилетия назад разработала турбинную систему, которая преобразовывала отработанное тепло в кинетическую энергию, которая возвращалась в трансмиссию двигателя. Совсем недавно BMW разработала двухступенчатую систему рекуперации тепла, аналогичную системе Mack, которая восстанавливает 80% энергии в выхлопных газах и повышает эффективность двигателей Otto, к которым она применяется, на 15%, приводя двигатель Otto в один ряд с некоторыми дизельными двигателями. двигатели. [6]
В отличие от этого, шеститактный двигатель может преобразовывать более 50% энергии сгорания в полезную энергию вращения.
Современные двигатели часто специально собираются, чтобы быть немного менее эффективными, чем они могли бы быть в противном случае. Это необходимо для контроля выбросов, таких как рециркуляция отработавших газов и каталитические нейтрализаторы, которые уменьшают смог и другие атмосферные загрязнители. Снижение эффективности может быть нейтрализовано с помощью блока управления двигателем с использованием методов бережливого горения. [7]
В Соединенных Штатах, средняя экономия топлива в корпоративном масштабе предписывает, что автомобили должны в среднем достигать 35.5 миль за галлон (миль на галлон) по сравнению с нынешним стандартом 25 миль на галлон. Поскольку автопроизводители надеются соответствовать этим стандартам к 2016 году, могут потребоваться новые способы разработки традиционного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Некоторые потенциальные решения для повышения эффективности использования топлива для удовлетворения новых требований включают запуск после того, как поршень находится дальше всего от коленчатого вала, известного как верхняя мертвая точка, и применение цикла Миллера. Вместе этот редизайн может значительно снизить расход топлива и выбросы NOx.
См. Также
Рекомендации
Общие источники
Внешние ссылки
,Анимированных Двигателей — Четырехтактный
Четырехтактный Двигатель
Четырехтактный двигатель был впервые продемонстрирован Николаусом Отто в 1876 1 , следовательно, он также известен как Отто цикл . Технически правильный термин — фактически четырехтактный цикл . Четырехтактный двигатель, вероятно, является наиболее распространенным типом двигателя в настоящее время. Он питает практически все легковые и грузовые автомобили.
Четыре такта цикла — это впуск, сжатие, мощность и выхлопные газы.Каждый соответствует одному полному ходу поршня; следовательно, полный цикл требует двух оборотов коленчатого вала, чтобы полный.
Впуск
Во время такта впуска поршень движется вниз, вытягивая свежий заряд испаренной топливно-воздушной смеси. Показанный двигатель имеет тарелка впускной клапан, который открывается вакуумом, создаваемым ход впуска. Некоторые ранние двигатели работали таким образом; тем не менее, большинство современных двигатели имеют дополнительное расположение кулачка / подъемника, как показано на выхлопной клапан.Выпускной клапан закрывается пружиной (не проиллюстрировано здесь).
Сжатие
Когда поршень поднимается, тарельчатый клапан принудительно закрывается давление в цилиндре. Импульс маховика ведет поршень вверх, сжатие топливно-воздушной смеси.
Мощность
В верхней части такта сжатия зажигается свеча зажигания, зажигая сжатое топливо. Когда топливо сгорает, оно расширяется, приводя в движение поршень вниз.
Выхлоп
В нижней части рабочего такта выпускной клапан открывается механизмом кулачка / подъемника.Восходящий ход поршень вытесняет израсходованное топливо из цилиндра.
Система зажигания
Эта анимация также иллюстрирует простую систему зажигания с использованием прерывателя точки, катушка, конденсатор и аккумулятор.
Ряд посетителей написали, чтобы указать на проблему с точки прерывания на моей иллюстрации. В этом стиле зажигания свеча зажигания сработает так же, как размыкаются точки выключателя . Иллюстрация кажется, имеет это задом наперед.
На самом деле иллюстрация верна; он просто движется так быстро трудно увидеть! Вот крупный план фреймов как раз в том месте, где зажигание зажигает:
Моим первоначальным намерением было точно показать, что очки должны оставаться закрыто только на долю секунды, называется dwell. By иллюстрируя это, я случайно скрыл всю работу цепи. Возможно, когда-нибудь я подготовлю более подробную иллюстрацию одна система зажигания.
Большие четырехтактные двигатели обычно включают в себя более одного цилиндра, имеют различные приспособления для распредвала (сдвоенные, накладные и т. д.), иногда функция впрыска топлива, турбокомпрессоры, несколько клапанов и т. д. Эти усовершенствования изменяют основную работу двигателя.