Робочий цикл чотиритактного двигуна – специфічні особливості, схема та опис

Автолюбителі повинні хоча б у загальних рисах знати, як влаштований і працює двигун. У більшості автомобілів встановлено чотирьохтактний чотирициліндровий мотор. Розгляньмо робочий цикл чотирьохтактного двигуна. Далеко не всі знають, які процеси відбуваються, коли автомобіль знаходиться в русі.

• Загальний принцип дії
• Історія
• Основні відмінності чотирьохтактних моторів
• Робота двигуна
• Впуск
• Стиснення
• Робочий хід
• Випуск
• Порядок роботи
• Дизельні мотори
• Такт впуску на дизелі
• Такт стиснення в дизельному двигуні
• Такт розширення газів у дизельному двигуні
• Випуск у дизельному двигуні
• Ув’язнення

Загальний принцип дії

Двигун працює наступним чином. У камеру згоряння потрапляє паливна суміш, далі вона стискається під впливом поршня. Після цього суміш займається. Це призводить до розширення продуктів згоряння, вони тиснуть на поршень і виходять з циліндра.

У двотактних двигунах один оборот колінчастого валу здійснюється в два такти. Чотирьохтактний поршневий двигун здійснює робочий цикл за два обороти колінчастого валу. Двигуни оснащуються ГРМ. Що це за механізм? Це елемент, який дозволяє впускати паливну суміш в камери і випускати звідти продукти згоряння. Обмін газів здійснюється в момент окремого обігу колінного валу. Газообмін відбувається за рахунок руху поршня.

Історія

Перший пристрій, що нагадує чотиритактний мотор, винайшли Фелічче Матоці та Євген Барсанті. Але цей винахід неймовірним чином загубили. Лише в 1861 році схожий агрегат запатентували.

А перший придатний до використання двигун розробив інженер з Німеччини Ніколаус Отто. Мотор отримав ім’я винахідника, а робочий цикл чотирьохтактного двигуна також носить ім’я цього інженера.

Основні відмінності чотирьохтактних моторів

У двотактному двигуні поршневі і циліндрові пальці, колінчастий вал, підшипники і компресійні кільця змащуються за рахунок олії, яку доливають у паливо. У чотирьохтактному моторі всі вузли встановлені в масляній ванні. Це істотна відмінність. Тому в чотиритактному агрегаті немає необхідності змішувати масла і бензин.

Переваги системи полягають у тому, що на дзеркалі в циліндрах і на стінках глушника кількість нагара значно менша. Ще одна відмінність – у двотактних двигунах у вихлопну трубу потрапляє горюча суміш.

Робота двигуна

Незалежно від типу мотора, принцип його роботи аналогічний. Сьогодні існують карбюраторні мотори, дизельні, інжекторні. У всіх моделях відбувається один і той же робочий цикл чотирьохтактного двигуна. Давайте детально розглянемо, які ж процеси працюють всередині мотора і змушують його приходити в рух.

Чотирьохтактний цикл – це послідовність з чотирьох робочих тактів. За початок зазвичай приймається такт, коли в камери згоряння потрапляє горюча суміш. Хоч за час його течії в двигуні проходять і інші дії, позначуваний такт – це один робочий процес. Наприклад, такт стиснення – це не тільки стиснення. У цей період суміш перемішується в циліндрах, починається формування газу, вона займається.

Те ж саме можна сказати і про інші етапи роботи двигуна. Найважливіше тут те, що різні процеси для кращого розуміння і спрощення робочого циклу чотирьохтактного двигуна розкладають лише на чотири такти.

Впуск

Отже, в камері згоряння силового агрегату цикли перетворень енергії починаються з реакції горіння паливної суміші. При цьому поршень знаходиться в самій верхній своїй точці (положення ВМТ), а потім рухається вниз. В результаті в камері згоряння двигуна виникає розріження. Під його впливом горюча рідина всмоктує паливо. Впускний клапан при цьому знаходиться у відкритому положенні, а випускний закритий.

Коли поршень починає рух вниз, то над ним збільшується обсяг. Це і викликає розріження. Воно становить приблизно 0,071-0,093 МПа. Таким чином, в камеру згоряння потрапляє бензин. В інжекторних двигунах паливо впорскується форсункою. Після надходження суміші в циліндр її температура може становити 75 до 125 градусів.

Те, як сильно циліндр буде заповнений паливною сумішшю, визначають за коефіцієнтами заповнення. Для двигунів з карбюраторною системою харчування даний показник складе від 0,64 до 0,74. Чим вище значення коефіцієнта, тим більш потужний мотор.

Стиснення

Після заповнення камери згоряння горючою сумішшю бензинових парів і повітря, якщо колінвал виробляє обертальні рухи, поршень почне повертатися в своє нижнє положення. Впускний клапан на даному етапі почне закриватися. А випускний буде все ще закритий.

Робочий хід

Це третій такт робочого циклу чотирьохтактного двигуна внутрішнього згоряння. Він найважливіший у роботі силового агрегату. Саме на даному етапі роботи двигуна енергія від згоряння палива перетворюється на механічну, що змушує обертатися колінчастий вал.

Коли поршень знаходиться в позиції, близькій до ВМТ, ще в процесі стиснення паливна суміш примусовим чином займається від свічки запалювання двигуна. Паливний заряд згорає дуже швидко. Ще до початку цього такту згорілі гази мають максимальне значення тиску. Ці гази є робочим тілом, стисненим у невеликому обсязі камери згоряння двигуна. Коли поршень почне рухатися вниз, гази починають інтенсивно розширюватися, вивільняючи енергію.

Серед усіх тактів робочого циклу чотирициліндрового двигуна саме цей найкорисніший. Він функціонує на навантаження агрегату. Тільки на цьому етапі колінвал отримує розгінне прискорення. У всіх інших мотор не виробляє енергію, а споживає її від того ж колінчатого валу.

Випуск

Після здійснення газами корисної роботи вони повинні вийти з циліндра, щоб звільнилося місце для нової порції паливно-повітряної суміші. Це останній такт у робочому циклі чотирьохтактного двигуна.

Гази на цьому етапі знаходяться під тиском, що істотно перевищує атмосферне. Температура до кінця такту знижується приблизно до 700 градусів. Коленвал за допомогою шатуна рухає поршень до ВМТ. Далі відкривається випускний клапан, гази виштовхуються в атмосферу через вихлопну систему. Що стосується тиску, то він високий тільки на самому початку. Наприкінці такту воно знижується до 0,120 МПа. Природно, повністю позбутися продуктів згоряння в циліндрі неможливо. Тому вони при наступному такті впуску змішуються з паливною сумішшю.

Порядок роботи

Описані етапи складають робочий цикл чотирьохтактного бензинового двигуна. Потрібно розуміти, що будь-яких суворих відповідності між тактами і процесами в поршневих двигунах немає. Це легко пояснити тим, що при експлуатації силового агрегату фази газорозподільного механізму і те, в якому стані знаходяться клапани, буде накладатися на рухи поршнів в різних моторах абсолютно по-різному.

У будь-якому циліндрі робочий цикл чотирьохтактного карбюраторного двигуна протікає саме таким чином. Кожна камера згоряння в двигуні потрібна для обертання єдиного колінного валу, що сприймає зусилля від поршнів.

Це чергування називають порядком роботи. Такий порядок задається на етапі конструювання силового агрегату через особливості розподільного і колінчастого валів. Він не змінюється в процесі експлуатації механізму.

Реалізація порядку роботи здійснюється чергуванням іскор, які надходять на свічки від системи запалювання. Так, чотирициліндровий мотор може працювати в наступних порядках – 1, 3, 4, 2 і 1, 2, 4, 3.

Дізнатися порядок, в якому працюють циліндри двигуна, можна з інструкції до автомобіля. Іноді порядок роботи вказаний на корпусі блоку.

Ось як протікає робочий цикл чотиритактного карбюраторного двигуна або будь-якого іншого. Система харчування ніяк не впливає на принцип дії агрегату. Різниця лише в тому, що карбюратор – це механічна система харчування, що має певні недоліки, а у випадку з інжекторами цих недоліків у системі немає.

Дизельні мотори

Робочий цикл чотиритактного дизельного двигуна – це така ж послідовність процесів, як і цикл карбюраторного мотора. Різниця полягає в тому, як протікає цикл, а також у відмінностях процесів утворення суміші та займання.

Такт впуску на дизелі

При русі поршню в напрямку вниз газорозподільний механізм відкриває впускний клапан. У камеру згоряння потрапляє певна кількість повітря. Температура в циліндрі при цьому становить приблизно 80 градусів. У дизельних двигунах система харчування значно відрізняється від бензинових карбюраторних моторів. Наприклад, гідравлічний опір у них нижчий, а тиск трохи підвищується.

Такт стиснення в дизельному двигуні

На даному етапі роботи поршень в камері згоряння йде у напрямку вгору до ВМТ. Обидва клапани в двигуні автомобіля перебувають у закритому стані. У результаті роботи поршня повітря в циліндрі стискається. Ступінь стиснення в дизельному двигуні більш висока, ніж у бензинових моторах, а тиск всередині циліндра може досягати 5 МПа. Стиснене повітря суттєво нагрівається. Температури можуть сягати 700 градусів. Це потрібно, щоб спалахнуло паливо. Воно на дизельних моторах подається через форсунки, встановлені на кожному циліндрі. У зимовий час у роботі беруть участь свічки розжарювання. Вони попередньо підігрівають холодну суміш. Таким чином мотор легше запускається в зимовий час. Але така система є не на всіх авто.

Такт розширення газів у дизельному двигуні

Коли поршень дизельного двигуна ще не дійшов до верхньої точки приблизно на 30 градусів по колінвалу, ТНВД через форсунку подає в циліндр паливо під високим тиском. Значення в 18 МПа необхідно, щоб пальне могло тонко розпорошуватися і розподілитися по всьому обсягу в циліндрі.

Далі паливо під дією високих температур займається і швидко згорає. Поршень рухається до нижньої точки. Температура всередині циліндра в цей момент становить близько 2000 градусів. До кінця такту температура знижується.

Випуск у дизельному двигуні

На цьому етапі випускний клапан відкритий, поршень рухається до верхньої точки. З циліндра примусово видаляються продукти згоряння. Далі вони йдуть на випускний колектор. Після цього в роботу включається каталітичний нейтралізатор. Гази, проходячи через нього під високою температурою, очищаються. В атмосферу вже виходить чистий, нешкідливий газ. На дизельних автомобілях додатково встановлено саджовий фільтр. Він також сприяє очищенню газів.

Ув’язнення

Ми детально розібрали, як здійснюється робочий цикл чотирьохтактного двигуна (проходить за два обороти колінчастого валу силової установки). А сам цикл включає в себе багато різних процесів.

Принцип роботи чотиритактного двигуна

Чотирьохтактний двигун являє собою поршневий двигун внутрішнього згоряння. Робочий процес всіх циліндрів у цих агрегатах займає 2 кругообігу колінчастого валу або чотири поршневі такти. З середини ХХ століття 4 тактний двигун – найпоширеніший вид поршневих двигунів.

Принцип роботи та основна характеристика

Робочий цикл ДВЗ (двигуна внутрішнього згоряння) складається з ряду процесів, при яких посилюється потужність двигуна, що впливає на колінчастий вал. Складається робочий цикл із кількох етапів:

• циліндр заповнюється паливною сумішшю;
• суміш стискається;
• паливна суміш займається;
• гази розширюються та циліндр очищається.

У ДВЗ поршень рухається в одному напрямку (вниз або вгору). Колінчастий вал здійснює один оборот у два такти. Робочим ходом поршня називають той, у якому відбувається корисна робота, і розширюються згорілі гази.

Двотактні називають двигуни, в яких цикл відбувається в один оборот колінчастого валу або за два такти. Чотирьохтактні агрегати характеризуються здійсненням робочого циклу за два обороти коленвала або за чотири такти .

Основні характерні показники 4 тактного двигуна:

1. За рахунок руху робочого поршня відбувається обмін газів.
2. Агрегат оснащений газорозподільним механізмом , що дозволяє циліндрову порожнину перемикати на впуск та випуск.
3. Відбувається обмін газів у момент окремого півоберту колінвалу.
4. Шестерні редуктори і ременная ланцюгова передача дають можливість змінити моменти впорскування бензину, запалення та приводу газорозподільного механізму по відношенню до частоти обертання коленвала.

історія

Приблизно в 1854—1857 роках італійцями Фелічче Матоці та Євгеном Барсанті було створено пристрій, який за наявними сьогодні відомостями був схожим на чотиритактний мотор . Винахід італійців було втрачено і лише 1861 року. Алфон де Роше був запатентований двигун такого типу.

Вперше придатний для роботи чотиритактний мотор створив німецький інженер Ніколаус Отто . На його честь було названо чотиритактний цикл роботи циклом Отто, а 4-тактний мотор, що застосовує свічки запалювання, називають двигуном Отто.

Особливості роботи 4-х тактного двигуна

У двотактному моторі змащування поршневих та циліндричних пальців, колінвала, поршня, підшипника та компресорних кілець проводять, заливаючи олію в бензин. Колінчастий вал 4тактного двигуна розташовується в масляній ванні, що є істотною відмінністю. Саме тому відсутня необхідність змішувати паливо та додавати олію. Все, що потрібно зробити власнику автомобіля – наповнити бензином паливний бак.

Автовласнику, таким чином, нема чого купувати спеціальне масло, без якого не може функціонувати двотактний мотор. Крім того, за наявності чотиритактного мотора на поршневому дзеркалі та на стінах глушника зменшується кількість нагару. Ще одна важлива відмінність – у двотактному моторі у вихлопну трубу виплескується горюча суміш, що обумовлено його пристроєм.

Слід визнати, що чотиритактні двигуни також мають невеликі недоліки. Наприклад, у них не особливо якісними є робочі моменти регулювання теплового клапанного зазору.

Конструкція агрегату

Розподвал чотиритактного двигуна розміщується в кришці циліндра. Він приводиться в дію провідним колесом, вмонтованим у колінчастий вал. Розподільний вал відкриває та закриває один із клапанів: випускний або впускний, залежно від розташування поршня. На розподільчому валі також розташовані кулачки, які приводять у дію клапанні коромисли.

Коромисла після спрацьовування починають впливати на певний клапан і відкривають його. Важливо, що між регулювальним гвинтом та клапаном має бути тепловий зазор (вузький проміжок). При нагріванні метал розширюється, тому якщо зазор занадто маленький або його немає взагалі, клапани не можуть закрити повністю канали випуску і впуску.

У клапана впуску зазор повинен бути меншим, ніж у клапана випуску, тому що гази вихлопу гарячіше, ніж суміш. Відповідно, клапан впуску нагрівається менше, ніж клапани випуску.

Робота двигуна

Як вже було зазначено робота чотиритактного мотора складається з чотирьох тактів поршня або двох обертів коленвала.

1. Впуск . Поршень рухається у нижній бік, відкриваючи клапан впуску. З карбюратора горюча суміш надходить у циліндр. Коли поршень досягає нижнього положення, клапан впуску закривається.
2. Стиснення . Поршень рухається нагору, провокуючи зживання горючої суміші. Коли він наближається до верхньої точки, стислий бензин спалахує.
3. Розширення . Бензин спалахує і згоряє. Внаслідок чого відбувається розтягування горючих газів, і поршень рухається вниз. При цьому два клапани виявляються закритими.
4. Випуск . Колінчастий вал інерції продовжує рухатися навколо своєї осі, а поршень рухається вгору. Разом з цим відкривається клапан випуску, і вихлопні гази надходять у трубу. При проходженні клапаном мертвої точки клапан впуску закривається.

Конструктивні та експлуатаційні відмінності чотиритактних двотактних бензинових двигунів

Головна відмінність чотиритактного двигуна від двотактного обумовлена ​​різними механізмами газообміну , а саме: видаленням відпрацьованих газів та подачею паливно-повітряної суміші в циліндр.

Процеси заповнення циліндра та його очищення у чотиритактному двигуні відбуваються за допомогою газорозподільного спеціального механізму, який у певний час відкриває та закриває робочий цикл.

Очищення циліндра та його заповнення у двотактному двигуні виконується одночасно з розширенням і стисненням при знаходженні поршня поблизу мертвої нижньої точки. У стінках циліндра для цього є два отвори: продувний або впускний і випускний . Через випускний отвір надходить паливна суміш і виходять відпрацьовані гази.

Основні відмінності двотактних та чотиритактних двигунів:

1. Літрова потужність. У чотиритактному двигуні на два обороти колінчастого валу припадає один робочий хід. Тому теоретично двотактний двигун повинен мати літрову потужність удвічі більшу, ніж чотиритактний. Але на практиці перевищення складає близько 1,8 раза завдяки використанню поршня при розширенні ходу, а також наявності гіршого механізму звільнення циліндра від відпрацьованих газів і великих витрат на продування частини потужності.
2. Споживання палива. Двотактний двигун перевершує чотиритактний у питомій та літровій потужності, але поступається в економічності. Відпрацьовані гази витісняються повітряно – паливною сумішшю, яка надходить у циліндр із шатунно-кривошипної камери. Частина паливної суміші при цьому надходить у вихлопні канали та видаляється з відпрацьованими газами.
3. У двотактного та чотиритактного двигунів принцип змащення двигуна суттєво відрізняється. Двотактні моделі характеризуються необхідністю змішування бензину з моторним маслом у певних пропорціях. Масляна повітряно-паливна суміш циркулює в поршневій та кривошипній камерах, змащуючи підшипники колінчастого валу та шатуна. Найдрібніші краплі олії при загорянні паливної суміші згоряють разом із бензином. Продукти згоряння йдуть разом із відпрацьованими газами.

Змішують бензин із олією двома способами. Це може бути просте перемішування, яке проводиться перед тим, як залити в бак паливо та роздільну передачу. У другому випадку масляно-паливна суміш утворюється у впускному патрубку, розташованому між циліндром та карбюратором.

Двигун в останньому випадку оснащений бачком масляним з трубопроводом, з’єднаним з плунжерним насосом. Насос подає масло у впускний патрубок у кількості, яку необхідно. Продуктивність насоса залежить від того, як розташована ручка подачі газу. Надходження олії тим більше, що більше подається паливо. Більш досконалою є роздільна система мастила двотактного двигуна. Відношення бензину до олії при ній може досягати 200:1. Це призводить до зниження витрати олії та зменшення димності. Таку систему використовують, наприклад, на сучасних скутерах.

У чотиритактних двигунах бензин з маслом не змішують, а подають окремо, для чого двигуни мають класичну систему мастила, яка складається з фільтра, масляного насоса, трубопровідної магістралі та клапанів. Як масляний бачок може виступати картер двигуна (мастило з «мокрим» картером) або окремий бачок («сухий» картер).

У першому випадку насос всмоктує з піддону масло, направляє його у вхідну порожнину, а потім по каналах – до деталей шатунно-кривошипної групи, до підшипників колінвала та газорозподільного механізму.

У разі мастила з «сухим» картером масло заливають у бочок. Звідти воно за допомогою насоса потрапляє до поверхонь, що труться. Частину масла, що стікає в картер, відкачують додатковим насосом і повертають у бачок.

Для очищення олії від різних продуктів зношування двигун має фільтр. Крім того, при необхідності встановлюють охолодні фільтри, тому що температура масла в процесі роботи може дуже сильно підніматися.