Какой такт работы двигателя внутреннего сгорания

История создания

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

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

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

Порядок работы

4-х тактный ДВС на сегодня наиболее распространенный силовой агрегат. Функционирует он, используя так называемый цикл Отто, состоящий из четырех последовательных тактов.

Такт представляет собой один полный ход поршня, во время которого коленвал совершает два оборота в направлении вращения часовой стрелки.

Работу 4-х тактного силового агрегата проще всего описывать, обратившись к простейшей конструкции, состоящей из:

1. собственно цилиндра;
2. поршня;
3. двух клапанов (впуск и выпуск);
4. свечи зажигания;
5. коленвала;
6. шатуна.

Классический ДВС отличается от такого механизма только большим числом цилиндров, работа которых синхронизирована определенным образом.

В простейшем одноцилиндровом ДВС последовательно осуществляются:

• 1 такт: впуск или всасывание.

Все начинается с того, что поршень находится в самом верхнем положении (верхней мертвой точке). А коленвал совершает половину оборота (0-180 градусов), толкая поршень в нижнее положение (нижнюю мертвую точку).

Благодаря этому действию в верхней области цилиндра образуется разрежение и раскрывается впускной клапан. Он становится открытым полностью в то время, когда поршень достигает нижнего уровня. Благодаря возникшему разрежению в цилиндр засасывается порция горючей смеси (воздух+пары бензина). При смешивании горючей смеси с продуктами сгорания от предыдущего цикла в цилиндре образуется рабочая смесь.

Примечание: в дизельном двигателе горючая смесь образуется прямо в цилиндре. Сначала происходит всасывание порции воздуха, который в процессе сжатия нагревается до температуры воспламенения, а затем, перед тем как поршень достигнет верхнего положения, происходит впрыск каплеобразного жидкого топлива. Процесс горения происходит только во время впрыска топлива.

• 2 такт: сжатия или компрессия

Он начинается при перемещении поршня вверх от нижнего уровня к верхнему. В это время коленвал снова поворачивается на ½ оборота (180-360 градусов).

При этом впускной и выпускной клапаны закрыты, из-за чего рабочая смесь начинает сжиматься.

В этом такте давление и температура в цилиндре повышаются приблизительно до 1,8 МПа и 600 С° соответственно.

• 3 такт: расширения или рабочий ход

В момент, когда достигается максимальная величина сжатия, включается свеча зажигания, от искры которой рабочая смесь воспламеняется и сгорает. В этом такте температура и давление в цилиндре доходят до 2500 С° и 5 МПа. Увеличившиеся температура и давление заставляют двигаться поршень вниз. А шатун, связывающий поршень и коленчатый вал, сообщает последнему вращательное действие, и он совершает следующие ½ оборота.

Именно в этом такте тепловая энергия переходит в механическую, и осуществляется полезная работа. Далее открывается выпускной клапан благодаря тому, что поршень перемещается вниз, что обеспечивает отвод отработанного газа. Когда поршень доходит до самого нижнего уровня – клапан максимально открыт. Сбросу давления до 0,65 МПа сопутствует понижение температуры до 1200 С°.

Поршень находится на нижнем уровне и под влиянием поворота коленчатого вала (180-360 градусов) перемещается вверх, выталкивая отработанный газ через открытый выпускной клапан.

В итоге, температура в цилиндре снижается до 500 С°, а поршень находится в верхнем положении. Так как избавиться от отработанных газов совсем не удается, остаточное давление в цилиндре держится на уровне 0,1 МПа, а оставшийся газ принимает участие в следующем такте.

Работа двигателя происходит за счет многократного повторения 4-х тактного цикла.

Конструкция

Сегодня 4-х тактные моторы более сложны по конструкции. Так, например:

• коленвал оснащают массивным маховиком, обеспечивающим за счет инерции плавное перемещение поршней;
• блок цилиндров оснащается газораспределительным механизмом;
• запуск мотора осуществляется с помощью стартера;
• беспроблемное функционирование всех узлов обеспечивается многочисленными вспомогательными устройствами (системы управления, смазки, впрыска топлива, охлаждения и пр.).

Где применяется

4-х тактные моторы применяются в нашей повседневной жизни очень широко. Их мощность напрямую зависит от объема и количества цилиндров.
Устанавливают ДВС в автомобилях и самолетах, тракторах и тепловозах. Применяются они также на судах морского и речного флота.

На 4-х тактные силовые агрегаты обратили внимание и энергетики. Используют их для питания стационарных и аварийных электрогенераторов, установленных в местах, где линии электропередач подвести невозможно или экономически нецелесообразно. Кроме того, такие генераторы устанавливают на объектах, где отключение подачи электроэнергии невозможно (больницы, банки, воинские части и пр.).

На автомобилях устанавливают поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), у которых топливо сгорает внутри цилиндра. В основу их действия положено свойство газов расширяться при нагревании. Рассмотрим принцип устройства и работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС), а также его рабочие циклы.

🔧 Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Если рабочий цикл совершается за два хода поршня, т.е. за один оборот коленчатого вала, то такой двигатель называется двухтактным.

Автомобильные двигатели работают, как правило, по четырехтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения (рабочего хода) и выпуска.

• Принцип работы ДВС (для просмотра нажмите на кнопку иллюстрации — Фото 2-5

Крайние положения поршня, при которых он наиболее удален от оси коленчатого вала или приближен к ней, называются верхней и нижней «мертвыми» точками (ВМТ и НМТ). Подробнее в статье "как устроены бензиновые и дизельные двигатели".

Впуск. По мере того, как коленчатый вал двигателя делает первый полуоборот, поршень перемещается от ВМТ к НМТ, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разряжение, вследствие чего свежий заряд горючей смеси, состоящий из паров бензина и воздуха, засасывается через впускной газопровод в цилиндр и, смешиваясь с остаточными отработавшими газами, образует рабочую смесь.

Сжатие. После заполнения цилиндра горючей смесью при дальнейшем вращении коленчатого вала (второй полуоборот) поршень перемещается от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. По мере уменьшения объема температура и давление рабочей смеси повышаются.

Расширение или рабочий ход. В конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры и быстро сгорает, вследствие чего температура и давление образующихся газов резко возрастает, поршень при этом перемещается от ВМТ к НМТ. В процессе такта расширения шарнирно связанный с поршнем шатун совершает сложное движение и через кривошип приводит во вращение коленчатый вал.

При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при третьем полуобороте коленчатого вала называют рабочим ходом. В конце рабочего хода поршня, при нахождении его около НМТ открывается выпускной клапан, давление в цилиндре снижается до 0.3 — 0.75 МПа, а температура до 950 — 1200оС.

Выпуск. При четвертом полуобороте коленчатого вала поршень перемещается от НМТ к ВМТ. При этом выпускной клапан открыт, и продукты сгорания выталкиваются из цилиндра в атмосферу через выпускной газопровод.

🔧 Рабочий цикл четырехтактного дизеля

В отличие от бензинового двигателя, при такте "впуск" в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта "сжатие" воздух нагревается до 600оС. В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Впуск. При движении поршня от ВМТ к НМТ вследствие образующегося разряжения из воздушного фильтра в цилиндр через открытый впускной клапан поступает атмосферный воздух. Давление воздуха в цилиндре составляет 0.08 — 0.095 МПа, а температура 40 — 60°С.

Сжатие. Поршень движется от НМТ к ВМТ; впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает поступивший воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива. При ходе поршня к ВМТ цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом.

Расширение или рабочий ход. Впрыснутое в конце такта сжатия топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, воспламеняется, и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. При этом максимальное давление газов достигает 6 — 9 МПа, а температура 1800 — 2000°С. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ в НМТ — происходит рабочий ход. Около НМТ давление снижается до 0.3 — 0.5 МПа, а температура до 700 — 900оС.

Выпуск. Поршень перемещается от НМТ в ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Давление газов снижается до 0.11 — 0.12 МПа, а температура до 500-700оС. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

🔧 Принцип работы многоцилиндровых двигателей

На автомобилях устанавливают многоцилиндровые двигатели. Чтобы многоцилиндровый двигатель работал равномерно, такты расширения должны следовать через равные углы поворота коленчатого вала (т. е. через равные промежутки времени).

Последовательность чередования одноименных тактов в цилиндрах называют порядком работы двигателя. Порядок работы большинства четырехцилиндровых двигателей 1-3-4-2 или 1-2-4-3. Это означает, что после рабочего хода в первом цилиндре следующий рабочий ход происходит в третьем, затем в четвертом и, наконец, во втором цилиндре. Определенная последовательность соблюдается и в других многоцилиндровых двигателях.

• Диаграмма работы двигателя по схеме 1-2-4-3 Фото 6

Многоцилиндровые двигатели бывают рядными и V-образными. В рядных двигателях цилиндры расположены вертикально, а в V-образных — под углом. Последние характеризуются меньшей габаритной длиной по сравнению с первыми. Современные восьмицилиндровые двигатели выполняют двухрядными с V-образным расположением цилиндров.

Cуществует два основных типа двигателей: двухтактные и четырехтактные. В двухтактных двигателях все рабочие циклы (процессы впуска топливной смеси, выпуска отработанных газов, продувки) происходят в течении одного оборота коленчатого вала за два основных такта. У двигателей такого типа отсутствуют клапаны, их роль выполняет поршень, который при своем перемещении закрывает впускные, выпускные и продувочные окна. Поэтому они более просты в конструкции.
Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения вала теоретически в два раза больше четырехтактного за счет большего числа рабочих циклов. Однако неполное использование хода поршня для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты части вырабатываемой мощности на продувку приводят практически к увеличению мощности только на 60. 70 %.

Двигатель состоит из картера, в который на подшипниках с двух сторон установлен коленчатый вал и цилиндра. Внутри цилиндра движется 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. Поршень снабжен металлическим стержнем — пальцем, он соединяет поршень с шатуном. Шатун передаёт прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.
Смазка всех трущихся поверхностей и подшипников внутри двухтактных двигателей происходит с помощью топливной смеси, в которое подмешано необходимое количество масла. Из рисунка видно, что топливная смесь (голубой цвет) попадает и в кривошипную камеру двигателя (это та полость, где закреплен и вращается коленчатый вал), и в цилиндр. Смазки там нигде нет, а если бы и была, то смылась топливной смесью. Вот по этой причине масло и добавляют в определенной пропорции к бензину. Тип масла используется специальный, именно для двухтактных двигателей. Оно должно выдерживать высокие температуры и сгорая вместе с топливом оставлять минимум зольных отложений.

Смотрите также

Принцип работы. Весь рабочий цикл в двигателе осуществляется за два такта

1. Такт сжатия. Поршень перемещается от нижней мертвой точки поршня (в этом положении поршень находится в нижней мертвой точке, далее это положение называем сокращенно НМТ) к верхней мертвой точке поршня (далее ВМТ), перекрывая сначала продувочное, а затем выпускное окно. После закрытия поршнем выпускного окна в цилиндре начинается сжатие ранее поступившей в него горючей смеси. Одновременно в кривошипной камере вследствие ее герметичности и после того как поршень перекрывает продувочные окна, под поршнем создается разряжение, под действием которого из карбюратора через впускное окно и приоткрытый клапан поступает горючая смесь в кривошипную камеру.

2. Такт рабочего хода. При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь воспламеняется электрической искрой от свечи, в результате чего температура и давление газов резко возрастают. Под действием теплового расширения газов поршень перемещается к НМТ, при этом расширяющиеся газы совершают полезную работу. Одновременно, опускаясь вниз, поршень создает высокое давление в кривошипной камере (сжимая топливовоздушную смесь в ней). Под действием давления клапан закрывается, не давая таким образом горючей смеси снова попасть во впускной коллектор и затем в карбюратор.
Когда поршень дойдет до выпускного окна, оно открывается и начнется выпуск отработавших газов в атмосферу, давление в цилиндре понижается. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное окно и сжатая в кривошипной камере горючая смесь поступает по каналу, заполняя цилиндр и осуществляя продувку его от остатков отработавших газов.

Принцип зажигания. Так как топливной смеси нужно время для воспламенения, искра на свече появляется чуть раньше, чем поршень достигает ВМТ. В идеале, чем быстрей движения поршня, тем раньше должно быть зажигание, потому-что поршень от момента искры быстрее доходит до ВМТ. Существуют механические и электронные устройства, меняющие угол зажигания в зависимости от оборотов двигателя. Практически у мотороллеров до 2000 г.в. таких систем не было и угол опережения зажигания был установлен в расчете на оптимальные обороты.

Преимущества двухтактных двигателей:

• Отсутствие громоздких систем смазки и газораспределения
• Большая мощность в пересчёте на 1 литр рабочего объёма
• Проще и дешевле в изготовлении
• Меньший вес

Недостатки двухтактных двигателей:

1. Больший расход топлива. Напомним, примерный расход можно высчитать по формуле: для двухтактного 300 грамм на одну лошадиную силу, для четырёхтактного 200 грамм.
2. Шумность. На максимальных оборотах двухтактные двигатели как правило работают немного громче четырёхтактных.
3. Комфорт. Четырёхтактные тактные двигатели не так вибрируют на малых оборотах (Касается только двухцилиндровых двигателей. Одноцилиндровые и двух и четырёхтактные вибрируют примерно одинаково) и не так дымят как двухтактные.
4. Долговечность. Довольно спорный пункт. Бытует мнение, что двухтактные двигатели 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 четырёхтактных двигателей где трущиеся элементы буквально плавают в масле. Но с другой стороны четырёхтактный двигатель по конструкции намного сложнее конкурента, состоит значительно большего числа деталей, а золотой принцип механики “Чем проще тем надежнее” еще никто не отменял.