Принцип действия четырехтактного двигателя

При выборе силового оборудования необходимо уделить особое внимание типу двигателя. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания: 2-х тактный и 4-х тактный.

Принцип действия двигателя внутреннего сгорания основан на использовании такого свойства газов, как расширение при нагревании, которое осуществляется за счет принудительного воспламенения горючей смеси, впрыскиваемой в воздушное пространство цилиндра.

Зачастую можно услышать, что 4-х тактный двигатель лучше, но чтобы понять, почему, необходимо более подробно разобрать принципы работы каждого.

Основными частями двигателя внутреннего сгорания, независимо от его типа, являются кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы, а также системы, отвечающие за охлаждение, питание, зажигание и смазку деталей.

Передача полезной работы расширяющегося газа осуществляется через кривошипно-шатунный механизм, а за своевременный впрыск топливной смеси в цилиндр отвечает механизм газораспре6деления.

Четырехтактные двигатели — выбор компании Honda

Четырехтактные двигатели экономичные, при этом их работа сопровождается более низким уровнем шума, а выхлоп не содержит горючей смеси и значительно экологичней чем у двухтактного двигателя. Именно поэтому компания Honda при изготовлении силовой техники использует только четырехтактные двигатели. Компания Honda уже многие годы представляет свои четырехтактные двигатели на рынке силовой техники и добилась высочайших результатов, при этом их качество и надежность ни разу не подвергались сомнению. Но всё же, давайте рассмотрим принцип работы 2х и 4х тактных двигателей.

Принцип работы двухтактного двигателя

Рабочий цикл 2-х тактного двигателя состоит из двух этапов: сжатие и рабочий ход.

Сжатие. Основными положениями поршня являются верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ). Двигаясь от НМТ к ВМТ, поршень поочередно перекрывает сначала продувочное, а затем выпускное окно, после чего газ, находящийся в цилиндре, начинает сжиматься. При этом через впускное окно в кривошипную камеру поступает свежая горючая смесь, которая будет использована в последующем сжатии.

Рабочий ход. После того, как горючая смесь максимально сжата, она воспламеняется при помощи электрической искры, образуемой свечой. При этом температура газовой смеси резко возрастает и объем газа стремительно растет, осуществляя давление, при котором поршень начинает движение к НМТ. Опускаясь, поршень открывает выпускное окно, при этом продукты горения горючей смеси выбрасываются в атмосферу. Дальнейшее движение поршня приводит к сжатию свежей горючей смеси и открытию продувочного отверстия, через которое горючая смесь поступает в камеру сгорания.

Основным недостатком двухтактного двигателя является большой расход топлива, причем часть топлива не успевает принести пользу. Это связано с наличием момента, при котором продувочное и выпускное отверстие одновременно открыты, что приводит к частичному выбросу горючей смеси в атмосферу. Еще идёт постоянный расход масла, так как 2х тактные двигатели работают на смеси бензина и масла. Очередное неудобство — в необходимости постоянно готовить топливную смесь. Главными преимуществами двухтактного двигателя остаются его меньшие размеры и вес по сравнению с 4х тактным аналогом, но размеры силовой техники позволяют использовать на них 4х тактные двигатели и испытывать намного меньше хлопот в ходе эксплуатации. Так что уделом 2х тактных моторов осталось различное моделирование, в частности, авиамоделирование, где даже лишних 100г имеют значение.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Работа четырехтактного двигателя значительно отличается от работы двухтактного. Рабочий цикл четырехтактного двигателя состоит из четырех этапов: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск, что стало возможным за счет применения системы клапанов.

Во время впускного этапа поршень двигается вниз, открывается впускной клапан, и в полость цилиндра поступает горючая смесь, которая при смешении с остатками отработанной смеси образует рабочую смесь.

При сжатии поршень движется от НМТ к ВМТ, оба клапана закрыты. Чем выше поднимается поршень, тем выше давление и температура рабочей смеси.

Рабочий ход четырехтактного двигателя представляет собой принудительное движение поршня от ВМТ к НМТ за счет воздействия резко расширяющейся рабочей смеси, воспламененной искрой от свечи. Как только поршень достигает НМТ, открывается выпускной клапан.

Во время выпускного этапа продукты сгорания, вытесняемые поршнем, движущимся от НМТ к ВМТ, выбрасываются в атмосферу через выпускной клапан.

За счет применения системы клапанов четырехтактные двигатели внутреннего сгорания более экономичны и экологичны — ведь выброс неиспользованной топливной смеси исключен. В работе они значительно тише, чем 2х тактные аналоги, и в эксплуатации намного проще, ведь работают на обычном АИ-92, которым вы заправляете свою машину. Нет необходимости в постоянном приготовлении смеси масла и бензина, ведь масло в данных двигателях заливается отдельно в масляный картер, что значительно уменьшает его потребление. Вот именно поэтому компания Honda производит только 4х тактные двигатели и достигла в их производстве колоссальных успехов.

Двигатели внутреннего сгорания широко применяются в различных областях. Двухтактный двигатель в сравнении с четырехтактным имеет свои преимущества и недостатки. Для того чтобы выяснить какой двигатель лучше, двухтактный или четырехтактный, необходимо понять принцип работы каждого из них.

Область применения

Четырехтактные моторы устанавливают на авто, трактора и другую технику. Легкое оборудование, мототехнику, катера, модели авиации и др. оснащают силовыми агрегатами, имеющими два рабочих такта. Подбор типа двигателя осуществляется исходя из его конструктивных особенностей.

Двухтактные силовые агрегаты отличаются простотой конструкции. В устройство силового агрегата входит минимальное количество деталей. Это способствует снижению стоимости капитального ремонта и уменьшению общей массы силовой установки. Ремонт мотора может выполнить человек с минимальными техническими знаниями.

СПРАВКА: Отсутствие газораспределительного механизма исключает необходимость регулировки теплового зазора.

Отличия двухтактного от четырехтактного двигателя

Двухтактный и четырехтактный двигатель работают при возгорании смеси воздушной массы с горючим. Принцип действия двухтактного силового агрегата отличается от четырехтактного:

• Подачей смеси горючего;
• Системой выпуска отработанных газов;
• Охлаждением;
• Массой;
• Мощностью;
• Смазкой.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Силовая установка имеет заполненный маслом картер. Цилиндр не оборудован окнами для запуска смеси горючего и выпуска отработанных газов. Газообмен осуществляется при помощи механизма распределения газов. Он выполнен в виде клапанов сообщающих полость камеры сгорания с карбюратором и выхлопной трубой. На инжекторных двигателях карбюратор отсутствует. Горючее во впускной тракт подается через форсунки.

Поршневой элемент оснащен компрессионными и маслосъемными кольцами. Компрессионные кольца необходимы для предотвращения утечки смеси воздушной массы с горючим в картер во время сжатия. Маслосъемные кольца защищают цилиндровую полость от попадания смазочного материала.

Силовой агрегат имеет отдельную систему смазки. Кривошипно-шатунный механизм оснащен подшипниками скольжения. Они смазываются маслом, подаваемым под давлением. Во избежание возникновения давления в результате движения поршневых элементов и нагрева смазочного материала картер оборудован дыхательным клапаном. Он сообщает полость картера с атмосферой.

Возгорание смеси воздушной массы с горючим в камере четырехтактного мотора осуществляется через один оборот коленвала. За один цикл происходит 4 такта:

• Впрыск. Поршневой элемент смещается сверху вниз, при этом открывается впускной клапан механизма распределения газов. При смещении поршневого элемента вниз образуется вакуум под действием, которого в гильзу попадает смесь воздушной массы с горючим;

ВНИМАНИЕ: В дизельных моторах через механизм впуска подается чистый воздух. Солярка попадает в камеру при помощи распылителей.

• Сжатие. Поршневой элемент смещается вверх. При этом воздушная масса с горючим достигает высокого давления. Во избежание попадания смеси в поддон силовой установки поршневой элемент оборудован компрессионными кольцами. Благодаря такой конструкции удаётся создать высокое давление;
• Рабочий ход. При нахождении поршневого элемента вверху происходит возгорание массы. Поршневой элемент под действием энергии от возгорания смещается вниз, увлекая за собой шейку коленвала;
• Выпуск. Перемещаясь вверх, поршневой элемент выталкивает из гильзы выхлопные газы. Вывод газов осуществляется через выпускной клапан механизма распределения газов.

СПРАВКА: Управление клапанами осуществляется валом с установленными на нем кулачками. Привод вала бывает ременной, цепной, или шестерёнчатый.

Принцип работы двухтактного двигателя

Мотор с двумя тактами состоит из:

1. Картера. Выполнен из двух частей. Между собой части соединяются болтами. Обе части имеют по одному отверстию. Оно необходимо для установки коленчатого вала. В отверстия картера устанавливаются подшипники;
2. Гильзы. Устанавливается на картер. Оборудована окнами, служащими для движения воздушной массы и отработавших газов в камере сгорания. Соединение картера и гильзы герметизируется;
3. Головки цилиндра. Закрывает верхнюю часть гильзы. Головка фиксируется болтами или гайками. Для предотвращения утечки рабочий смеси при сжатии, между головкой и гильзой устанавливается термоустойчивая прокладка. Головка оборудована отверстием для установки свечи;
4. Одностороннего клапана. Используется для перекрывания впускного тракта при движении поршневого элемента вверх;
5. Поршня. Изготовлен из лёгких материалов, в верхней части имеет пазы для установки колец. В нижней части поршневой элемент оборудован отверстием для соединения с шатуном при помощи пальца;
6. Шатуна. Используется для передачи усилия от поршня к коленчатому валу силового агрегата. Для снижения трения при движении шатун оборудован подшипниками;
7. Коленчатого вала. Необходим для передачи крутящего момента к оборудованию;
8. Подшипников и сальников. Для снижения трения вращающихся частей предусмотрена установка подшипников. По краям коленчатого вала устанавливаются сальники. Они необходимы для герметизации картера. Такая конструкция предотвращает утечку рабочей массы в картер двигателя.

Некоторые люди задаются вопросом, как работает двухтактный двигатель? Возгорание воздуха с топливом происходит на каждом круге коленчатого вала. Механизм распределения газов отсутствует. Это упрощает конструкцию и снижает вес установки. Впрыск рабочей смеси, и выпуск выхлопных газов осуществляется через специализированные окна, расположенные в гильзе. В нужный момент они перекрываются поршневым элементом.

За один цикл происходят 2 такта. Выпускное окно расположено выше впускного. Перемещаясь вниз, поршень открывает выпускное окно, и отработавшие газы выходят в атмосферу. После этого открывается впускное окно, и рабочая смесь попадает в цилиндр. Двигаясь вверх, поршень перекрывает оба окна и создает давление топливной смеси. После воспламенения действие повторяется.

Система смазки

Силовые установки, имеющие четыре такта, оснащаются отдельной системой смазки. Подшипники скольжения кривошипно-шатунного механизма смазываются маслом под высоким давлением. Газораспределительный механизм смазывается путем разбрызгивания масла. Давление системе нагнетается насосом. Он имеет привод от коленчатого или распределительного вала.

Картер мотора наполнен маслом. Подача смазочного материала к насосу осуществляется через маслоприемник. Для предотвращения попадания смазочного материала в рабочую смесь, поршни оборудованы маслосъемными кольцами, а клапана газораспределительного механизма – защитными колпачками.

Силовой агрегат, рабочий цикл которого происходит за один круг коленчатого вала, не имеет отдельной системы смазки. Смазывание деталей происходит топливной смесью. Для этого в бензин добавляется масло.

ВНИМАНИЕ: В зависимости от модели, принцип добавления масла в топливную смесь может отличаться. В некоторых версиях предусмотрен специализированный насос-дозатор, подающий смазочный материал в карбюратор или коллектор впускного тракта. Такие модели имеют бачок для масла.

Охлаждение

Охлаждение четырёхтактного силового агрегата может быть жидкостным или воздушным. Жидкость, постоянно перемещающаяся в рубашке охлаждения, забирает часть тепла нагревающихся деталей. Остывание жидкости происходит в радиаторе.

Охлаждение двухтактного мотора воздушное. Для улучшения теплоотдачи поверхность рабочего цилиндра и головки выполнена в виде пластин. Для принудительного движения воздушной массы устанавливается вентилятор. Он имеет привод вот коленчатого вала.

Масса силовой установки

Силовая установка с четырьмя тактами имеет больший вес. Это обусловлено наличием большого количества деталей и более тяжёлым маховиком. Большой вес маховика и обвесов коленчатого вала необходим для увеличения инерции. Благодаря такой конструкции мотор работает устойчиво даже на холостых оборотах.

Возгорание в рабочем цилиндре двухтактного агрегата происходит при каждом повороте коленчатого вала. Это исключает необходимость увеличения веса маховика. На снижение массы влияет отсутствие газораспределительного механизма, деталей системы смазки и т.д.

Мощность

При одинаковом объеме показатели мощности двигателя с двумя тактами превосходят четырехтактную силовую установку. Это обусловлено увеличением количества рабочих ходов поршня за один промежуток времени в 2 раза.

Преимущества и недостатки двухтактного двигателя
Двухтактный мотор имеет ряд достоинств и недостатков. В связи с этим такие агрегаты используется для установки на определенный тип оборудования.

Достоинства

• Отсутствие тяжёлого маховика. Благодаря воспламенению при каждом повороте коленчатого вала силовая установка работает ровно;
• Небольшой вес. Отсутствие газораспределительного механизма, тяжёлого маховика, маслонаполненного картера и т.д. мотор имеет небольшую массу. Это позволяет применять установки в различных ручных приспособлениях;
• Простота конструкции. Отсутствие деталей газораспределительного механизма позволяет выполнять ремонт человеку, с минимальными техническими знаниями;
• Низкая стоимость капитального ремонта. Небольшое количество деталей прибыли снижение стоимости капитального ремонта;

• Небольшие размеры. Габариты двигателей с двумя тактами позволяют устанавливать их на небольшое оборудование;
• Мощность. Благодаря возгоранию воздушной массы с горючим при каждом повороте коленчатого вала мотор имеет высокую мощность;
• Высокий механический коэффициент полезного действия. Минимальное количество комплектующих способствует повышению механического КПД.

Недостатки

1. Охлаждение воздухом. Воздушная система охлаждения способствует повышению рабочей температуры силового агрегата при высоких нагрузках. Это затрудняет использование установки при высокой температуре окружающей среды;
2. Плохое качество смазки. Смазочный материал попадает на вращающиеся детали агрегата вместе с топливной смесью. При плохом качестве масла или снижении его количества в смеси, трущиеся детали быстро выходят из строя;
3. Сложность установки газобаллонного оборудования. Двухтактный двигатель на газу подразумевает модернизацию системы смазки. Это усложнит конструкцию и значительно увеличит стоимость ремонта;
4. Большой расход горюче-смазочных материалов. Из-за воспламенения при каждом повороте коленвала, мотор потребляет больше горючего и смазочного материала. Часть рабочей смеси выходит вместе с газами.

Что лучше, двухтактный или четырехтактный двигатель

Выбор мотора производится исходя из целей его применения. Для легкого оборудования хорошо подходит двухтактный мотор с небольшими габаритами и маленьким весом. Для более высоких нагрузок используется четырёхтактный силовой агрегат. Он неприхотлив к температуре окружающей среды и имеет большой моторесурс.

Из вышеперечисленного следует, что двухтактный силовой агрегат имеет как преимущества, так и недостатки. Главными достоинствами являются небольшие габаритно массовые параметры, простота конструкции и низкая стоимость. Благодаря своим конструктивным особенностям силовые агрегаты с двумя тактами используются на скутерах, гидроциклах, лодках, сельскохозяйственном оборудовании и т.д.

Преимущества четырёхтактных двигателей

• Б́ольшая экономичность
• Более чистый выхлоп (экологически чище)
• Не требуется сложная выхлопная система
• Меньший шум, вибрация
• Отсутствие необходимости постоянного контроля уровня масла

Преимущества двухтактных двигателей

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

Устройство и принцип работы четырёхтактного двигателя и двухтактного двигателя

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.

1. Впуск — четырёхтактный двигатель

В процессе впуска поршень четырёхтактного двигателя идёт из верхней мёртвой точки (ВМТ) в нижнюю мёртвую точку (НМТ). Одновременно кулачком распредвала открывается впускной клапан, — в цилиндр четырёхтактного двигателя затягивается свежая топливно-воздушная смесь.

2. Сжатие — четырёхтактный двигатель

Пoршень четырёхтактного двигателя поднимается из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую топливную смесь. Одновременно и значительно поднимается температура горючей смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ 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 б́ольшей степенью сжатия требуется топливо с б́ольшим октановым числом, которое дороже.

3. Сгорание и расширение (рабочий ход поршня) — четырёхтактный двигатель

Незадолго до окончания такта сжатия горючая смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания. Во время следования поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси именуется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы давление газов достигло максимальной величины когда пoршень будет находиться в ВМТ. 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.

4. Выпуск — четырёхтактный двигатель

После НМТ такта рабочего хода поршня четырёхтактного двигателя открывается выпускной клапан, и поднимающийся поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ 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.

Четырехтактный двигатель скутера:

1 — цилиндр с головкой
2 — крышка головки цилиндра
3 — карбюратор
4 — впускной патрубок
5 — электростартер.

Для ещё большей наглядности посмотри видеоролик, наглядно показывающий работу четырёхтактного двигателя. На этом видео демонстрируется автомобильный четырёхцилиндровый шестнадцатиклапанный (то есть, в каждом цилиндре по два впускных и выпускных клапана, для лучшей продувки) двигатель, однако сути это не меняет.