Существует несколько различных типов двигателей, при этом на колесном, гусеничном, водном и даже иногда воздушном транспорте (грузовые и легковые авто, спецтехника, моторные лодки, самолеты и т.п.), нередко можно встретить .
Двигатели внутреннего сгорания бывают бензиновыми и дизельными, также могут успешно и даже на водороде (). Еще моторы отличаются по конструкции, компоновке, бывают двухтактными и четырехтактными.
Но в последние годы изменилась версия этого цикла «Отто». Почему это так, и какова разница между этими двумя циклами? Четырехтактные двигатели имеют четыре отдельные фазы в традиционном цикле Отто, которые производятся двумя оборотами коленчатого вала и точным клапаном и временем зажигания. Каждый из них соответствует полному ходу поршня внутри цилиндра.
Уступают по мощности двухтактным
Цикл начинается с хода поршня поршня, который направляет смесь воздуха и испаряемого топлива через впускное отверстие в камеру сгорания. Восходящий ход возвратного поршня сжимает эту смесь примерно до одной десятой ее объема, после чего ее зажигает свеча зажигания. Этот взрыв приводит поршень вниз в такт, что дает двигателю тягу. Окончательный обратный ход цикла эвакуирует отработанные газы через выпускной порт, чтобы процесс мог начаться снова.
Так или иначе, широкое распространение силовой агрегат данного типа получил благодаря своей автономности, универсальности, а также целому ряду других преимуществ. При этом агрегаты имеют много различных параметров и характеристик, среди которых стоит отдельно выделить рабочий цикл. Далее мы поговорим о том, что означает рабочий цикл автомобильного двигателя внутреннего сгорания.
Но в то время как этот относительно простой цикл дает удовлетворительную выходную мощность, он не является самым экономичным средством генерации энергии от четырехтактного поршневого двигателя. Эта награда распространяется на двигатели, работающие по циклу Аткинсона.
Четыре основные фазы цикла Отто остались, но Аткинсон представил новую временную последовательность, чтобы задержать закрытие впускного клапана во время такта сжатия. Удерживание впускного клапана открывалось немного дольше, эффективно уменьшало смещение двигателя во время цикла всасывания, но сохраняло полное соотношение расширения при горении или сильном ходу.
Рабочий цикл ДВС: что нужно знать
Если рассматривать принцип работы двигателя внутреннего сгорания, топливо в таких агрегатах сгорает в закрытой камере (камера сгорания), куда подается готовая топливно-воздушная смесь или воздух и топливо по отдельности (дизельные агрегаты и моторы с прямым впрыском).
Проще говоря, цикл Аткинсона был разработан для минимизации использования топлива во время такта впуска, но он использовал часть цикла, который генерирует энергию. Оригинальный двигатель разработки Джеймса Аткинсона использовал сложные механические соединения для получения различных поршневых поршней от одного и того же оборота коленчатого вала. Хотя он эффективный и невероятно умный, дизайн не был экономически эффективным для массового производства. Более того, преимущества в топливной эффективности могут быть достигнуты только за счет некоторой мощности - в результате снижения объема двигателя во время такта впуска.
Работа такого мотора основана на том, что во время сгорания топлива происходит расширение газов. Указанные газы становятся причиной роста давления в цилиндре, благодаря чему получает «толчок». Затем энергия, переданная на поршень, преобразуется в механическую работу. Давайте рассмотрим принцип работы двигателя, а также рабочие циклы более подробно.
Из-за этих проблем изобретательный цикл Аткинсона был в значительной степени забыт в течение большей части столетия. Это стало возможным благодаря новой технологии переключения фаз газораспределения, которая использовала гидравлику для приведения в действие положения распределительного вала и изменения времени впускных клапанов.
Между тем, появившаяся гибридная технология привода была признана идеальным средством для преодоления характерного дефицита мощности Аткинсона. Электродвигатели с питанием от батареи использовались для помощи бензиновому двигателю, когда это необходимо, но также обеспечивают независимый источник мотивации. В конце концов, самый эффективный метод экономии топлива - это не запуск двигателя в первую очередь!
Итак, рабочий цикл двигателя – последовательно повторяющиеся процессы, которые протекают в цилиндрах в рамках трансформации тепловой энергии топлива в полезную механическую работу. Если один рабочий цикл совершается за 2 хода поршня, когда делает один оборот, такой двигатель является .
Двигатели, которые устанавливаются на автомобили, обычно работают по четырехтактному циклу (четырехтактный двигатель). Это значит, рабочий цикл совершается за два оборота коленвала и четыре хода поршня. Работу такого ДВС можно разделить на такты: такт впуска, такт сжатия, такт рабочего хода, такт выпуска.
Дальнейшая разработка этой технологии секвенирования клапанов проявляется в новой высокоэффективной, но совместимой с эмиссией. На протяжении всей истории автомобильной промышленности существовало множество типов двигателей с различными характеристиками. Каждый из них, по-своему, служил так, чтобы моторизация транспортных средств развивалась и становилась все более эффективной.
Что такое 4-тактный двигатель взрыва
Всюду по статье мы хотим объяснить, что такое 4-тактный двигатель, как он делится или что то же самое, его четыре раза, чтобы понять его работу. Также разница между двухтактным и четырехтактным двигателем. 4-тактный двигатель представляет собой альтернативный двигатель внутреннего сгорания как цикла Отто, так и дизельного цикла, для которого требуется четыре, а иногда и пять хода поршня или поршня для завершения термодинамического цикла сгорания. Термин 4 раза относится к фазам или этапам работы поршня.
Как работает четырехтактный бензиновый двигатель
Чтобы было понятнее, начнем с того, что когда поршень в цилиндре во время работы ДВС начинает занимать крайние положения (максимально приближен или удален по отношению к оси коленчатого вала), эти положения принято называть ВМТ и НМТ. ВМТ означает верхняя мертвая точка, тогда как НМТ значит нижняя мертвая точка. Теперь вернемся к тактам.
Это двигатель, который преобразует химическую энергию топлива в тепловую энергию, которая, в свою очередь, обеспечивает механическую энергию, необходимую для перемещения транспортного средства. Это преобразование выполняется внутри цилиндра, сжигая топливо, должным образом дозированное и готовое.
Видео, что является 4-тактным дизельным двигателем
Возможно, вы хотите узнать больше и хотите посмотреть, что такое 4-тактный дизельный двигатель на фотографиях, если вам просто нужно остановиться, чтобы посмотреть следующее видео.
Как работает 4-тактный двигатель взрыва
Как только мы узнаем, что существует несколько типов двигателей, и мы поняли, что такое 4-тактный двигатель, мы объясним его работу.- На такте впуска коленчатый вал двигателя делает первую половину оборота, при этом поршень из ВМТ движется в НМТ. В этот момент открыт , а закрыт. При движении поршня вниз в цилиндре образуется разрежение, в результате чего в цилиндр «засасывается» топливно-воздушная смесь через открытый впускной клапан. Рабочая смесь состоит из воздуха и распыленного топлива (в некоторых двигателях на такте впуска поступает только воздух).
- Следующим тактом является сжатие. После того, как произойдет наполнение цилиндра топливно-воздушной смесью, коленвал начинает совершать вторую половину оборота. В этот момент поршень начинает подниматься из НМТ в ВМТ. При этом впускной клапан уже закрыт. Далее поршень сжимает смесь в герметично закрытом цилиндре. Чем больше уменьшается объем цилиндра, тем сильнее сжимается смесь. Результатом такого сжатия является повышение температуры смеси.
- К тому времени, когда поршень подойдет к концу такта сжатия (практически дойдет до ВМТ), смесь в бензиновых двигателях воспламеняется от внешнего источника (электрическая искра на ). Затем топливный заряд сгорает, в результате в цилиндре резко повышается температура и давление. В этот момент поршень уже перемещается обратно из ВМТ в нижнюю мертвую точку, принимая на себя энергию расширяющихся газов.
Далее от поршня через энергия передается на , позволяя вращать коленчатый вал двигателя. Коленвал в это время делает третий по счету полуоборот, а движение поршня из ВМТ в НМТ называется рабочим ходом поршня.
Рабочие циклы двигателей внутреннего сгорания
Чтобы хорошо понять его работу, вы должны знать четыре раза о двигателе, и они следующие. Первый раз: на этой фазе спуск поршня всасывает смесь горючего воздуха в двигатели зажигания или воздух в двигателях с воспламенением от сжатия. В первый раз коленчатый вал вращается на 180º, а распределительный вал дает 90º, а впускной клапан открыт и его ход опускается. Второй раз: после достижения нижнего конца хода впускной клапан закрывается, сжимая газ содержащихся в камере путем подъема поршня. Во второй раз коленчатый вал дает 360º, а распределительный вал дает 180º, а также оба клапана закрыты и его гонка возрастает. В третий раз: при достижении конца верхнего хода газ достиг максимального давления. В обоих случаях, как только начинается сгорание, он быстро увеличивает температуру и давление внутри цилиндра и расширяет газы, которые толкают поршень. Это единственная фаза, в которой достигается работа. В это время коленчатый вал вращается на 180º, когда распредвал вращается, оба клапана закрыты и его ход опускается. В четвертый раз: на этой фазе поршень толкает в своем восходящем движении газы сгорания, которые выходят на через выпускной клапан, который остается открытым. При достижении максимальной точки верхнего хода выпускной клапан закрывается, и впускной клапан открывается, возобновляя цикл. В это время коленчатый вал вращается на 180º и вал 90º. Выпускной клапан остается закрытым, а впускной клапан открыт. . Образ, который мы показываем выше, является примером 4-тактного двигателя.
- После того, как поршень почти дойдет до НМТ в конце рабочего хода, происходит открытие выпускного клапана. После этого давление в цилиндре снижается, несколько падает и температура. Затем начинается такт выпуска. В это время коленчатый вал совершает последний полуоборот, при этом поршень снова поднимается из НМТ в ВМТ, буквально «выталкивая» отработавшие газы из цилиндра через открытый выпускной клапан в .
Работа четырехтактного дизельного ДВС
Видео о том, как работает 4-тактный двигатель
Конечно, вы заинтересованы в том, чтобы знать части двигателя, щелкните по следующей ссылке. Чтобы вы действительно поняли работу 4-тактного двигателя, мы оставляем этот видеоурок со всей необходимой информацией. Вы считаете это полезным?
Различия между 4-тактным двигателем и 2-тактным двигателем
Имеются ощутимые различия между четырьмя и двумя двигателями хода, наиболее очевидным является то, что двухтактный двигатель нуждается только в двух циклах для получения необходимой энергии, в то время как 4-тактный двигатель проходит через 4 фазы, которые мы уже объяснили, Помимо этого, гораздо проще в изготовлении, 2Т, а также способен обеспечить почти вдвое больше мощности 4-тактного двигателя.Хотя дизель конструктивно похож на бензиновый мотор, в изначально сжимается только воздух, после чего прямо в камеру сгорания впрыскивается дизтопливо. При этом воспламенение такой смеси происходит самостоятельно (под большим давлением, а также в результате контакта с нагретым от сильного сжатия воздухом).
Простыми словами, воздух сначала сжимается и нагревается, в среднем, до 650 градусов по Цельсию. В самом конце такта сжатия в камеру сгорания топливная форсунка впрыскивает , затем смесь дизтоплива и воздуха самовоспламеняется.
Тем не менее, отрасль выбрала четырехтактные двигатели, главным образом потому, что они более надежные двигатели, имеют более длительный срок службы и, прежде всего, экологические и потребительские проблемы, поскольку 4-тактные двигатели более эффективны и вызывают менее загрязняющих выбросов, чем 2-тактные двигатели.
Еще одна очевидная разница между этими двигателями заключается в том, что они применяют. Автомобили используют 4-тактные двигатели, а 2-тактные двигатели - почти эксклюзивная местность для мотоциклов. Многие из тепловых машин, которые в настоящее время построены, оснащены двигателем, который называется четырехтактным двигателем.
С учетом данной особенности на такте впуска (поршень движется из ВМТ в НМТ), за счет разряжения в цилиндр подается воздух через открытый впускной клапан. Давление и температура воздуха в этот момент имеют низкие показатели.
Затем начинается сжатие, поршень поднимается из НМТ в верхнюю мертвую точку. Как и в случае с бензиновым мотором, впускной и выпускной клапаны полностью закрыты, что позволяет поршню сильно сжать воздух.
В цикле Отто рабочая жидкость представляет собой смесь воздуха и бензина, которая подвергается серии преобразований внутри цилиндра, снабженного поршнем. Процесс состоит из шести этапов. Поршень перемещается в так называемую нижнюю мертвую точку. 12 - Адиабатическое сжатие: смесь воздуха и бензина сжимается без обмена тепла снаружи. Работа, выполняемая смесью на этом этапе, отрицательна, поскольку она сжимается. 23 - Взрыв: свеча зажигания активирована, искра скачет и смесь загорается. Во время этого преобразования давление увеличивается до постоянного объема. 34 - Адиабатическое расширение: смесь расширяется адиабатически. Во время этого процесса химическая энергия, выделяемая во время сгорания, преобразуется в механическую энергию, поскольку работа при этом превращении является положительной. 41 - Изолированное охлаждение: на этом этапе давление уменьшается, и смесь охлаждается, выделяя тепло наружу. 10 - Выхлоп: выпускной клапан открывается, вытесняя продукты сгорания снаружи. В конце этого этапа процесс начинается снова.
- В конце этого первого этапа впускной клапан закрывается.
- Положение, которое достигает поршня, называется верхней мертвой точкой.
Обратите внимание, для дизельного двигателя очень важно, чтобы температура сжатого воздуха была достаточной для воспламенения топлива. По этой причине в дизельных ДВС намного выше, чем в бензиновых. Далее, когда поршень практически доходит до ВМТ, происходит топливный впрыск (момент впрыска дизельного двигателя).
Если учесть, что давление воздуха в цилиндре высокое (необходимо для его нагрева), дизельное топливо в момент впрыска должно также подаваться под очень высоким давлением. Фактически, форсунке нужно «продавить» солярку в камеру сгорания, в которой уже находится сильно сжатый поршнем и горячий воздух.
Получается подстановка в выражении выхода. Производительность, выраженная в отношении коэффициента сжатия. Чем выше коэффициент сжатия, тем выше производительность цикла Отто. На практике ни адиабатические преобразования цикла Отто не адиабатичны, ни преобразования предыдущей анимации, происходящие в постоянном объеме.
На следующем рисунке показан контур реального цикла Отто, наложенный на идеал, проанализированный в предыдущих разделах. На рисунке указаны приблизительно точки цикла, где происходит взрыв и побег соответственно. 0-1: вход; 1-2: сжатие; 2-3: сжигание; 3-4: расслабление; 4-1: выхлопные трубы.
Для решения этой задачи многие имеют ТНВД (). Также в схеме могут быть использованы насос-форсунки (форсунка и насос объединены в одно устройство). Еще существуют варианты, когда питание двигателя реализовано при помощи так называемого «аккумулятора» высокого давления. Речь идет о системах Common Rail.
После воспламенения заряда происходит расширение газов и начинается рабочий ход поршня. Температура в результате горения смеси повышается, происходит увеличение давления. Указанное давление газов «толкает» поршень, происходит рабочий ход. Завершающим этапом становится выпуск, когда поршень после совершения рабочего хода снова поднимается из НМТ в ВМТ. Затем весь описанный выше процесс (рабочий цикл двигателя) повторяется.
Цикл, представленный черной линией, представляет собой эквивалентный цикл «Топливно-воздушный цикл». Цикл, представленный красной линией, представляет собой текущий цикл. На данный момент происходит быстрое повышение давления при воспламенении. Мы находим, что между этими двумя циклами возникают различия: мы увидим, откуда эти пробелы, какие явления вмешиваются.
Синхронная работа нескольких цилиндров
Эти пробелы имеют разное происхождение. За исключением очень низких скоростей поршня, это значение утечки является незначительным для хорошо настроенных двигателей. Во время этого сгорания менее горячие поверхности камеры сгорания охлаждают газы и, таким образом, уменьшают сгорание.
Синхронная работа нескольких цилиндров
Выше были описан принцип работы ДВС, при этом рассматривались процессы в одном цилиндре. Однако, как известно, большинство двигателей являются многоцилиндровыми. Для того чтобы добиться ровной и синхронной работы всех цилиндров, рабочий ход поршня в каждом отдельном цилиндре должен происходить через равный промежуток времени (одинаковые углы поворота коленвала).
При этом последовательность, с которой чередуются одинаковые такты в разных цилиндрах, принято называть порядком работы ДВС (например, 1-2-4-3). На практике это выглядит таким образом, что после рабочего хода в цилиндре 1, далее рабочий ход происходит во втором, четвертом, а уже затем в третьем цилиндре.
В зависимости от компоновки двигателя и его конструктивных особенностей последовательность (порядок работы) может быть разной. Дело в том, что двигатели бывают не только рядными, но и V-образными.
Во втором случае такая компоновка позволяет разместить цилиндры под углом, при этом становится возможным увеличить общее количество цилиндров без увеличения самой длины блока цилиндра двигателя. Такое решение позволяет разместить мощный многоцилиндровый ДВС под капотом не только большого внедорожника или грузовика, но и легкового авто.
Двигатели внутреннего сгорания отличаются друг от друга рабочим циклом, по которому они работают.
Рабочий цикл – это комплекс последовательных рабочих процессов, периодически повторяющихся в каждом цилиндре при работе двигателя.
Рабочий процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня, называется тактом.
По числу тактов, составляющих рабочий цикл, двигатели делятся на два вида:
– четырехтактные, в которых рабочий цикл совершается за четыре хода поршня,
– двухтактные, в которых рабочий цикл совершается за два хода поршня.
На легковых автомобилях, как правило, применяются четырехтактные двигатели, а на мотоциклах и моторных лодках – двухтактные. О путешествиях по водным просторам поговорим как-нибудь потом, а с четырьмя тактами работы автомобильного двигателя разберемся сейчас.
Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя состоит из следующих тактов:
– впуск горючей смеси,
– сжатие рабочей смеси,
– рабочий ход,
– выпуск отработавших газов.
Рис. 8. Рабочий цикл четырехтактного карбюраторного двигателя: а) впуск; б) сжатие; в) рабочий ход; г) выпуск
Первый такт – впуск горючей смеси (рис. 8а ).
Горючей смесью называется смесь мелко распыленного бензина с воздухом в определенной пропорции. Приготовлением смеси в двигателе занимается карбюратор или форсунка, о чем мы поговорим чуть позже. А пока следует знать, что соотношение бензина к воздуху примерно 1:15 считается оптимальным для обеспечения нормального процесса сгорания.
При такте впуска поршень от верхней мертвой точки перемещается к нижней мертвой точке. Объем над поршнем увеличивается. Цилиндр заполняется горючей смесью через открытый впускной клапан. Иными словами, поршень всасывает горючую смесь.
Впуск смеси продолжается до тех пор, пока поршень не дойдет до нижней мертвой точки. За первый такт работы двигателя кривошип коленчатого вала поворачивается на пол-оборота.
В процессе заполнения цилиндра горючая смесь перемешивается с остатками отработавших газов и меняет свое название, теперь эта смесь называется рабочая.
Второй такт – сжатие рабочей смеси (рис. 8б ).
При такте сжатия поршень от нижней мертвой точки перемещается к верхней мертвой точке. Оба клапана плотно закрыты, поэтому рабочая смесь сжимается.
Из школьной физики всем известно, что при сжатии газов их температура повышается. Давление в цилиндре над поршнем в конце такта сжатия достигает 9–10 кг/см², а температура 300–400°С.
В заводской инструкции к автомобилю можно увидеть один из параметров двигателя с названием – "степень сжатия" (например 8,5). А что это такое?
Степень сжатия показывает, во сколько раз полный объем цилиндра больше объема камеры сгорания (Vn/Vc – см. рис. 7). У бензиновых двигателей в конце такта сжатия объем над поршнем уменьшается в 8–11 раз.
В процессе такта сжатия коленчатый вал двигателя поворачивается на очередные пол-оборота. От начала первого такта и до окончания второго, он повернется уже на один оборот.
Третий такт – рабочий ход (рис. 8в ).
Во время третьего такта происходит преобразование выделяемой при сгорании рабочей смеси энергии в механическую работу. Давление от расширяющихся газов передается на поршень и затем, через шатун и кривошип, на коленчатый вал.
Вот откуда берется та сила, которая заставляет вращаться коленчатый вал двигателя и, в конечном итоге, ведущие колеса автомобиля.
В самом конце такта сжатия рабочая смесь воспламеняется от электрической искры, проскакивающей между электродами свечи зажигания. В начале такта рабочего хода сгорающая смесь начинает активно расширяться. Поскольку впускной и выпускной клапаны все еще закрыты, то расширяющимся газам остается только один единственный выход – давить на подвижный поршень.
Под действием давления, достигающего величины 50 кг/см², поршень начинает перемещаться к нижней мертвой точке. При этом на всю площадь поршня давит сила в несколько тонн, которая через шатун передается на кривошип коленчатого вала, создавая крутящий момент.
При такте рабочего хода температура в цилиндре достигает более 2000 градусов.
Коленчатый вал при рабочем ходе делает очередные пол-оборота.
Четвертый такт – выпуск отработавших газов (рис. 8г ).
При движении поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке открывается выпускной клапан (впускной все еще закрыт), и отработавшие газы с огромной скоростью выбрасываются из цилиндра двигателя.
Вот почему слышен тот сильный грохот, когда по дороге движется автомобиль без глушителя, но об этом позже. А пока обратим внимание на коленчатый вал двигателя – при такте выпуска он делает еще пол-оборота. И всего, за четыре такта рабочего цикла, он сделал два полных оборота.
После такта выпуска начинается новый рабочий цикл, и все повторяется: впуск – сжатие – рабочий ход – выпуск... и так далее.
Теперь, интересно, кто из вас обратил внимание на то, что полезная механическая работа совершается одноцилиндровым двигателем только в течение одного такта – такта рабочего хода! Остальные три такта (выпуск, впуск и сжатие) являются лишь подготовительными и совершаются они за счет кинетической энергии вращающихся по инерции коленчатого вала и маховика.
Маховик (рис. 9)– это массивный металлический диск, который крепится на коленчатом валу двигателя. Во время рабочего хода поршень через шатун и кривошип раскручивает коленчатый вал двигателя, который передает маховику запас энергии вращения.
Рис. 9. Коленчатый вал двигателя с маховиком: 1 – шатунная шейка; 2 – противовес; 3 – маховик с зубчатым венцом; 4 – коренная (опорная) шейка; 5 – коленчатый вал двигателя
Запасенная в массе маховика энергия вращения позволяет ему в обратном порядке через коленчатый вал, шатун и поршень осуществлять подготовительные такты рабочего цикла двигателя. Поршень движется вверх (при такте выпуска и сжатия) и вниз (при такте впуска) именно за счет отдаваемой маховиком энергии.
Если двигатель имеет несколько цилиндров, работающих в определенном порядке, то подготовительные такты в одних цилиндрах совершаются за счет энергии, развиваемой в других, ну и маховик, конечно, тоже помогает.
В детстве у вас наверняка была игрушка, которая называлась волчок. Вы раскручивали его энергией своей руки (рабочий ход ) и радостно наблюдали за тем, как долго он вращается. Точно так же и массивный маховик двигателя – раскрутившись, он запасает энергию, но только значительно большую, чем детская игрушка, а затем эта энергия используется для перемещения поршня в подготовительных тактах.