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). Начиная с середины XX века — наиболее распространённая разновидность поршневого ДВС, особенно в двигателях средней и большой мощности.
Работа четырёхтактного двигателя в разрезе. Цифрами обозначены такты
Энциклопедичный YouTube
-
1/5
Просмотров:2 456
63 379
7 761
40 040
19 291
-
✪ Чем отличается 4т двигатель от 2т
-
✪ Самодельный четырёхтактный двигатель
-
✪ Замедленное в 150 раз воспроизведение работы двигателя внутреннего сгорания.
-
✪ Самодельный четырёхтактный двигатель-2
-
✪ 4-тактный двигатель OS FS-60 + стартер
Содержание
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
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
Цилиндр двигателя закрыт крышкой, в которой располагаются клапаны для впуска свежего заряда и клапаны выпуска газов. Клапаны удерживаются в закрытом состоянии пружинами и давлением в цилиндре при процессах сжатия, сгорания и расширения. Открытие клапанов в нужные моменты производится газораспределительным механизмом.
Газораспределительный механизм состоит из рычагов, штанг и толкателей, на которые воздействуют кулачки распределительного вала.
Распределительный вал приводится в движение от коленчатого вала двигателя и имеет вдвое меньшую частоту вращения, чем коленчатый вал, вследствие чего каждый клапан открывается один раз за два оборота коленчатого вала. Взаимосвязь газораспределительного механизма с коленчатым валом находится в определенной механической зависимости. Эта зависимость устанавливается заводом—изготовителем двигателя и изображается диаграммой фаз (углов) газораспределения.
Термодинамический процесс рабочего цикла в четырехтактном двигателе (рис. 23).
Фаза ф;_2 — это угол, описываемый коленом коленчатого вала, при котором клапан впуска открыт. На индикаторной диаграмме этот процесс изображен линией 1—2 — процесс всасывания свежего заряда.
Фаза ф2-3 — это угол, описываемый коленом коленчатого вала, при котором оба клапана закрыты.
На индиикаторной диаграмме наблюдается процесс сжатия свежего заряда, при этом температура его достигает 500… 700 °С. Фаза у3_4 — это угол, описываемый коленом коленчатого вала при закрытых клапанах впуска и выпуска. Точка 3 находится вблизи ВМТ. С этого момента в цилиндр двигателя подается топливо в мелкораспыленном виде, которое активно (при 7 = 500…700°С) испаряется, воспламеняется и сгорает. Этот процесс длится тысячные доли секунды. В цилиндре резко возрастают температура (1700°С) и давление (Р образовавшихся газов, вследствие чего колено коленчатого вала успевает пройти ВМТ, и сила, равная произведению давления газов на площадь поршня, раскручивает коленчатый вал. Этот процесс расширения газов называют рабочим ходом поршня, и он заканчивается при положении колена коленчатого вала в точке 4. Фаза ц>4_5 — это угол, описываемый коленом коленчатого вала, при котором открыт клапан выпуска. На индикаторной диаграмме этот процесс — выпуск отработавших газов — изображен линией 4—5. В позиции колена коленчатого вала 5 клапан выпуска закрывается, а клапан впуска открывается. Этим завершается рабочий цикл и начинается следующий. Весь рабочий цикл совершился за четыре такта, поэтому такой двигатель называют четырехтактным.
Рис. 23. Схема работы четырехтактного двигателя и индикаторные диаграммы: 1— начало открытия впускного клапана; 2 — закрытие впускного клапана; 3 — начало подачи топлива; 4 — начало открытия выпускного клапана; 5 — закрытие выпускного клапана; а—г — такты рабочего цикла; Р0 — атмосферное давление; I — точка максимального давления газов в цилиндре.
Содержание статьи
Создание комбинированных двигателей явилось новым этапом в развитии ДВС.
Цель создания комбинированных двигателей — получение более экономичного и мощного двигателя при малых его габаритах. Потребность в таких двигателях особенно велика на железнодорожном транспорте. Увеличение мощности двигателя при тех же габаритах осуществляется за счет компрессорного наддува.В комбинированном двигателе в качестве компрессорных машин используются почти все виды компрессоров, а в качестве расширительной машины применяется только газовая турбина. Благодаря наддуву в цилиндры подается на каждый рабочий цикл больше воздуха, чем при всасывании, что дает возможность сжигать большее количество топлива. Это позволяет получать при одинаковых с обычным дизелем размерах цилиндров и той же частоте вращения вала большую мощность.
При сжатии в нагнетателе воздух нагревается, его удельный объем возрастает, что значительно уменьшает воздушный заряд в цилиндре; поэтому в дизелях со средним и высоким наддувом обязательно применяют охлаждение наддувочного воздуха перед поступлением его в цилиндры.
Охлаждение воздуха на каждые 10 °С дает увеличение мощности дизеля на 3…4% и снижение удельного расхода топлива примерно на 1,5…2,0 г/(кВт-ч). Экономичность комбинированного двигателя с наддувом повышается также вследствие увеличения механического КПД и дополнительного использования теплоты отработавших газов.
Эксплуатационные и конструктивные отличия двухтактных и четырехтактных бензиновых двигателей
Основное отличие двухтактного двигателя от четырехтактного обусловлено различием механизмов их газообмена — т.е. подачи воздушно-топливной смеси в цилиндр и удалении отработавших газов. В четырехтактном двигателе процессы очистки и заполнения цилиндра производятся с помощью специального газораспределительного механизма, который открывает и закрывает в определенное время рабочего цикла впускной и выпускной клапана.
В двухтактном двигателе заполнение и очистка цилиндра выполняются одновременно с тактами сжатия и расширения — в то время, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки. Для этого в стенках цилиндра имеются два отверстия — впускное или продувочное и выпускное, через которые производится впуск топливной смеси и выпуск отработанных газа. Газораспределительный механизм с клапанами у двухтактного двигателя отсутствует, что делает его значительно проще и легче.
Литровая мощность.
В отличие от четырехтактного двигателя, в котором один рабочий ход приходится на два оборота коленчатого вала, в двухтактном рабочий ход совершается при каждом обороте коленвала. Это означает, что 2-х тактный двигатель должен иметь (теоретически) вдвое большую литровую мощность (отношение мощности к литражу двигателя), чем 4-х тактный. На практике, однако, превышение составляет всего 1,5-1,8 раза. Это происходит из-за неполного использования хода поршня при расширении, худшего механизма освобождения цилиндра от отработавших газов, траты части мощности на продувку и прочих явлений, связанных с особенностями газообмена 2-х тактных двигателей.
Потребление топлива.
Превосходя четырехтактный двигатель в литровой и удельной мощности, двухтактный двигатель уступает ему в экономичности. Вытеснение отработавших газов осуществляется в нем воздушно-топливной смесью, поступающей в цилиндр из кривошипно-шатунной камеры. При этом часть топливной смеси попадает в выхлопные каналы, удаляясь вместе с отработавшими газами и не производя полезной работы.
Смазка.
Двухтактные и четырехтактные двигатели имеют различный принцип смазки двигателя. В 2-х тактных моделях она осуществляется смешиванием в определенных пропорциях (обычно 1:25-1:50) моторного масла с бензином. Воздушно-топливно-масляная смесь, циркулируя в кривошипной и поршневой камерах, смазывает подшипники шатуна и коленчатого вала, а также зеркало цилиндра. При возгорании топливной смеси масло, существующее в виде мельчайших капель, сгорает вместе с бензином. Продукты его сгорания удаляются вместе с отработанными газами.
Применяются два способа смешивания масла с бензином. Простое перемешивание перед заливкой топлива в бак и раздельная подача, при которой топливно-масляная смесь образуется во впускном патрубке, находящемся между карбюратором и цилиндром.
Раздельная система смазки двухтактного двигателя: 1 — масляный бак; 2 — карбюратор; 3 -разделитель троса газа; 4 — ручка газа; 5 — трос управления подачей масла; 6 — плунжерный насос-дозатор; 7 — шланг, подводящий масло во впускной патрубок.
В последнем случае двигатель имеет масляный бачок, трубопровод которого соединен с плунжерным насосом, подающим масло во впускной патрубок ровно в том количестве, которое требуется в зависимости от количества воздушно-бензиновой смеси. Производительность насоса зависит от положения ручки подачи «газа». Чем больше подается топлива, тем больше поступает масла, и наоборот. Раздельная система смазки двухтактных двигателей является более совершенной. При ней отношение масла к бензину при малых нагрузках может достигать 1:200, что приводит к уменьшению дымности, снижению образования нагара и расхода масла. Эта система используется, например, на современных скутерах с двухтактными двигателями.
В четырехтактном двигателе масло не смешивается с бензином, а подается отдельно. Для этого двигатели оснащены классической системой смазки, состоящей из масляного насоса, фильтра, клапанов, трубопроводной магистрали. Роль масляного бачка может выполнять картер двигателя (система смазки с «мокрым» картером) или отдельный бачок (система с «сухим» картером).
Система смазки четырехтактного двигателя с мокрым и сухим картером: 1 — поддон картера; 2 — маслозаборник; 3 — масляный насос; 4 — масляный фильтр; 5 — предохранительный клапан.
При смазке с «мокрым» картером насос 3 всасывает масло из поддона, нагнетает его в выходную полость и далее по каналам подает к подшипникам коленвала, деталям кривошипно-шатунной группы и газораспределительного механизма.
При смазке с «сухим» картером масло заливается в бачок, откуда с помощью насоса подается к трущимся поверхностям. Та часть масла, которая стекает в картер, откачивается дополнительным насосом, возвращающем ее в бачок.
Для очистки масла от продуктов износа деталей двигателя имеется фильтр. При необходимости устанавливается и охлаждающий радиатор, так как в процессе работы температура масла может подниматься до высоких температур.
Поскольку в двухтактных двигателях масло сгорает, а в четырехтактных нет, требования к его свойствам сильно разнятся. Масло, используемое в двухтактных двигателях, должно оставлять минимум нагара в виде золы и сажи, в то время как масло для четырехтактных двигателей должно обеспечивать стабильность характеристик в течение как можно более длительного времени.
Сравнение основных параметров двухтактных и четырехтактных двигателей:
- Литровая мощность. У 2-х тактных двигателей выше в 1,5-1,8 раза, чем у 4-х тактных.
- Удельная мощность (отношение мощности к массе двигателя). Также выше у 2-х тактных.
- Обеспечение подачи топлива и очистки цилиндра. 4-х тактные двигатели оснащены газораспределительным механизмом, который отсутствует у 2-х тактных двигателей.
- Экономичность. Выше у 4-х тактных, расход топлива у которых примерно на 20-30 % ниже, чем у 2-х тактных.
| Двигатель | Количество тактов | Мощность, л.с. | Расход топлива (бензина), кг/час |
| Briggs&Stratton | 4 | 3,5 | 0,9 |
| Minarelli | 2 | 3,5 | 1,5 |
| Tecumzeh | 4 | 3,7 | 0,9 |
| Briggs&Stratton | 4 | 5,0 | 1,0 |
| Tecumzeh | 4 | 5,0 | 1,0 |
| Briggs&Stratton | 4 | 6,0 | 1,1 |
| Lombardini | 4 | 7,0 | 1,6 |
| Minsel | 2 | 7,0 | 2,1 |
- Система смазки. Масло для 2-х тактных двигателей разводится в бензине или (значительно реже) подается из масляного бака во впускной коллектор и сгорает вместе с топливом в поршневой камере. У 4-х тактных двигателей реализована полноценная система, обеспечивающая качественную смазку двигателя и длительное использование масла.
- Экологичность. У 4-х тактных выше. Выхлоп 2-х тактных двигателей обладает большей токсичностью.
- Шумность работы. 4-х тактные двигатели менее шумные.
- Сложность конструкции. 2-х тактные двигатели значительно проще 4-х тактных.
- Ресурс работы. Выше у 4-х тактных из-за более совершенной системы смазки и меньшей частоты вращения коленвала.
- Скорость набора оборотов. 2-х тактные двигатели набирают обороты быстрее.
- Обслуживание. Сложнее у 4-х тактных из-за наличия газораспределительного механизма и более сложной системы смазки.
- Вес. 2-х тактные значительно легче.
- Цена. 2-х тактные дешевле.
Благодаря своей высокой удельной мощности, небольшому весу, простоте обслуживания двухтактные двигатели имеют достаточно широкую область применения. В отношении некоторой бензотехники вопрос, какой двигатель использовать — двухтактный или четырехтактный — даже не возникает. В бензопилах, например, двухтактный двигатель благодаря своему небольшому весу и высокой удельной мощности находится вне конкуренции по сравнению с четырехтактным. Широко используются 2-х тактные двигатели также в скутерах, мототехнике, авиамоделестроении.
И все же из-за токсичности выхлопа и шумности 2-х тактные двигатели сдают свои позиции перед 4-х тактными. Большая их конкурентоспособность возможна при использовании новых технологических решений. Таких, например, как идея компаний Aprilia и Orbital использовать для продувки двухтактного двигателя чистый воздух. Топливо в их модели подается через форсунку, расположенную в головке двигателя, а масло добавляется в продувочный воздух. Такой двигатель по экономичности даже превосходит четырехтактный, его экологичность также соответствует современным требованиям. Вот только главное достоинство 2-х тактных двигателей — простота их конструкции — несколько страдает от нововведения.
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ:
- BMW 2 SERIES — ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
- Opel Agila: описание,характеристики,фото,видео,комплектация.
- Бмв е65 описание,технические характеристики,отзывы,фото,видео,комплектация.
- Бмв е39: обзор,описание,фото,видео,комплектация,характеристики
- Системы охлаждения двигателя проблемы и неисправности фото описание
- Бмв е30 технические характеристики обзор описание фото видео комплектация.
- Mercedes-Benz 190E 1986 года — стоимостью 55 500 $
- Бмв е28 обзор,история,характеристики,тюнинг,цена,фото,видео,габариты.
- Мерседес официально представил новый x-класса пикап.
- бмв е23: обзор,технические характеристики,модификации,фото,видео.
- Инструменты, аксессуары и запасные части для автомобиля
- Рама и тягово-сцепное устройство: описание,устройство,фото.
- Бмв f30 обзор,технические характеристики,отзывы,фото,видео,салон.
- Надежная и стабильная работа системы охлаждения двигателя
- Audi rs6 описание модели характеристики модификации фото видео
Цикл работы ДВС (двигателя внутреннего сгорания) состоит из нескольких процессов, продуктом производства которых является выделение мощности (энергии), а мощность, в свою очередь, воздействует на коленчатый вал (коленвал) двигателя.
Цикл работы ДВС включает в себя:
- наполнение цилиндра топливом;
- сжатие топливной смеси;
- воспламенение топлива;
- расширение газов с последующей очисткой цилиндра от них.
Движение поршня, совершаемое в одном направлении (вниз или вверх), называется тактом двигателя. За время одного оборота коленвала происходит два такта. Рабочим ходом поршня называется такт, при котором происходит полезная работа в результате расширения сгоревших газов.
Те двигатели, у которых рабочий цикл состоит из двух тактов (за один оборот коленвала), называют двухтактными. Те же двигатели, у которых рабочий цикл состоит из четырех тактов (за два оборота коленчатого вала), называют четырехтактными. Четырех- и двухтактные двигатели могут быть как дизельными, так и бензиновыми (карбюраторными). Так каковы же основные конструктивные и эксплуатационные особенности четырехтактных и бензиновых двухтактных двигателей внутреннего сгорания? Ознакомление с принципом работы каждого из них поможет лучше это понять.
Принцип работы четырехтактного двигателя
Работа в четырехтактном двигателе совершается за 4 такта: впрыскивание топлива, сжатие топливной жидкости, воспламенение жидкости и расширение рабочего хода, выпуск продуктов горения.
Из ВМТ (верхняя мертвая точка) опускается поршень в НМТ (нижняя мертвая точка) при впрыскивании топливной жидкости. В этом такте также происходит открытие впускного клапана при помощи кулочка распредвала (распределительного вала). Именно через этот клапан в цилиндр двигателя попадает топливная смесь.
Когда поршень совершает обратный ход (из НМТ в ВМТ), топливная смесь сжимается и ее температура стремительно возрастает.
Между электродов свечи (за долю секунды до конца сжатия) образуется искра. Топливная смесь поджигается и в процессе горения выделяет горючие газы, которые под действием высокого давления толкают вниз поршень. Это и называется рабочим ходом двигателя. Вся полезная работа совершается именно в этом такте.
Когда поршень вернется с нижней мертвой точки произойдет открытие впускного клапана и движущийся поршень сможет вытолкнуть из цилиндра продукты горения (отработанные газы). После того как произойдет выпуск, в ВМТ клапан закроется и цикл повторится снова.
Принцип работы двухтактного двигателя
Рабочий процесс двухтактного двигателя включает в себя два такта: сжатие топлива и расширение (рабочий ход ДВС). Во время расширения и сжатия в двухтактном двигателе происходит выпуск продуктов горения (отработанных газов) и впрыскивание топливной жидкости. Именно в этом главное отличие двухтактного ДВС от четырехтактного.
Поршень совершает движение из НМТ в ВМТ в процессе сжатия. Однако для начала должно закрыться продувочное окно (через него топливная смесь поступает в цилиндр), а затем и выпускное окно (через него происходит выброс отработанных газов). Когда все условия будут выполнены произойдет сжатие смеси из бензина и воздуха (воздушно-бензиновая смесь). Параллельно этому процессу в кривошипной камере происходит разряжение, которое засасывает следующую порцию бензина из карбюратора. Как только поршень подойдет к ВМТ смесь воспламениться от искры, которая образуется от свечи. Затем поршень двигается вниз под действием образовавшихся газов, а заодно производит полезную работу, вращая коленвал.
При рабочем ходе в кривошипной камере повышается давление, которое сжимает топливо, попавшее в нее во время предыдущего такта. Как только верхняя поверхность поршня (его уплотнительное кольцо) достигнет выпускного окна, произойдет его открытие и выпуск в глушитель отработанных газов. Двигаясь дальше, поршень откроет продувочное окно и в цилиндр поступит топливная смесь, которая находилась до этого в кривошипной камере под давлением. В процессе впуска смесь вытеснит все остатки продуктов горения и осуществит так называемую продувку, заполняя собой все надпоршневое пространство. Рабочий цикл повторится вновь, как только поршень достигнет НМТ.
Конструктивные и эксплуатационные отличия
Основное отличие этих сложных устройств состоит в том, что у них различаются механизмы газообмена, то есть механизмы выделения отработавших газов и подачи топливо-воздушной смеси. В четырехтактном двигателе существует специальный газораспределительный механизм, который в определенное время закрывает и открывает выпускные и впускные клапана. С его помощью и происходит заполнение и очистка цилиндра.
В двухтактном же двигателе такого механизма нет и все процессы очистки и заполнения совершаются параллельно с тактами расширения и сжатия. Поршень же все это время находится вблизи НМТ. Для этих процессов в стенках цилиндра расположены два отверстия: продувочное и впускное. Продувочное отверстие отвечает за выпуск продуктов сгорания, а впускное — за подачу топлива в цилиндр. Газораспределительный механизм, как мы уже говорили, в таком двигателе отсутствует, а значит и отсутствует и сложная система клапанов. Это делает двухтактный двигатель значительно легче и проще.
Литровая мощность. В четырехтактном двигателе весь рабочий ход совершается когда коленвал сделает два оборота, а в двухтактном каждый оборот коленвала подразумевает собой рабочий ход. Теоретически двухтактный двигатель должен иметь большую (в 2 раза) литровую мощность двигателя внутреннего сгорания, нежели четырехтактный. Литровой мощностью принято называть отношение мощности двигателя к его литражу.
Однако практика показывает, что это не всегда так. Как правило, такое соотношение находится в пределах от 1,5 до 1,8. Такое происходит по ряду причин: поршень не полностью использует свой ход из-за расширения, механизм освобождения отработавших газов в цилиндре уступает механизму четырехтактного двигателя, часть мощности тратится на продувку цилиндра и прочие особенности газообмена двухтактного двигателя.
Потребление топлива. Хотя двухтактный двигатель и превосходит четырехтактный по удельной и литровой мощности, он значительно проигрывает ему по экономичности. Поступающая из кривошипно-шатунной камеры в цилиндр топливная жидкость, смешанная с воздухом, вытесняет собою отработавшие газы. Поэтому какая-то часть топлива удаляется с отработавшими газами, попадая в выхлопные каналы, и соответственно двигатель теряет часть полезной работы.
Смазка. Двухтактные двигатели отличаются в принципах смазки двигателя от четырехтактных. Чтобы смазать 2-х тактную модель, необходимо создать специальную смесь из бензина и моторного масла (5:1, как правило). Такая смесь из бензина, воздуха и масла отлично смазывает все элементы двигателя: зеркало цилиндра, подшипники коленвала и шатуна, ведь она циркулирует не только в кривошипной, но и поршневой камере. Когда произойдет возгорание смеси, масло, которое на данный момент имеет вид мелких капель, сгорит так же быстро, как и бензин. Все продукты горения удалятся с отработанными газами.
Как правильно проводить смазку
Для того чтобы смешать бензин с маслом можно использовать два способа. Простой — перемешать масло с топливом перед заливкой в бак и сложный — подразумевает раздельную подачу топлива и масла. В последнем случае масло-топливная смесь будет образовываться в находящемся между цилиндром и карбюратором впускном патрубке.
Также во втором случае в дизельном или бензиновом двигателе должен быть предусмотрен масляной бачок, а также трубопровод, который должен быть соединен вместе с плунжерным насосом. Такой насос будет подавать масло в нужном количестве (зависит от количества бензина и воздуха). Положение ручки подачи «газа» напрямую влияет на производительность насоса. Чем меньше топлива подается, тем меньше поступит масла и наоборот.
Производители двигателей утверждают, что такая система смазки является более правильной и совершенной. При ней снижается расход масла, уменьшается количество дыма, снижается образование нагара, поскольку при малых нагрузках соотношение бензина к маслу достигает лишь 200:1. Такую систему активно используют производители двухтактных скутеров или мотоциклов малой кубатуры.
В четырехтактных моделях масло подается отдельно от бензина и не смешивается с ним. Для этого используется классическая система смазки, которая состоит из: фильтра, клапанов, масляного насоса и трубопроводной магистрали. Вместо масляного бочка здесь может находиться картер («мокрая» система смазки) или отдельностоящий бачок («сухая» система смазки).
- При наличии «мокрого» картера из поддона насосом всасывается масло, попадает в выходную полость идет по каналам к деталям кривошипно-шатунной камеры, подшипникам коленвала и газораспределительному механизму.
- При наличии «сухого» картера в бачок заливается масло. Оттуда оно подается с помощью насоса к трущимся поверхностям. Те излишки масла, что стекут в картер, со временем будут откачены дополнительным насосом и вернутся в бачок.
Почти во всех двигателях существуют фильтры очистки масла, которые очищают жидкость от продуктов износа различных деталей. Для охлаждения масла (оно имеет свойство нагреваться в процессе работы) можно установить охлаждающий радиатор.
Так как в двухтактных двигателях в процессе работы масло имеет свойство сгорать (в отличие от четырехтактных), то оно должно обладать особыми свойствами. К примеру, масло для двухтактных моделей не должно оставлять много нагара, в виде сажи и золы, в то время как масло, используемое в четырехтактных двигателях, должно как можно более продолжительное время обеспечивать стабильность характеристик.
Сравнение параметров
- Литровая мощность. Выше у двухтактных в 1,5-1,8 раза, чем у 4-х тактных двигателей.
- Удельная мощность. Также выше у двухтактных.
- Обеспечение очистки цилиндра и подачи топлива. Четырехтактные ДВС могут похвастаться наличием газораспределительного механизма.
- Экономичность. Расход топлива на 20-30% ниже у 4-х тактных.
- Система смазки. У четырехтактных двигателей имеется полноценная система двигателя, у двухтактных — масло чаще всего смешивается с бензином.
- Экологичность. Выхлоп 2-х тактных ДВС более токсичен, чем у 4-х тактных.
- Шумность работы. Четырехтактные работают значительно тише.
- Ресурс работы. Благодаря совершенной системе смазки и уменьшенной частоте вращения коленвала, 4-х тактные двигатели считаются более совершенными.
- Скорость по набору оборотов. Преимущество за двухтактными.
- Обслуживание. Благодаря наличию газораспределительного механизма, 4-х тактные движки обслуживать намного сложнее.
- Вес. Из-за несложной конструкции, двухтактные намного легче.
- Цена. Четырехтактные дороже.
Благодаря небольшому весу, простоте обслуживания и высокой удельной мощности двухтактные модели обладают широкой областью применения. Во многих бензиновых устройствах (косилках, бензопилах) даже не возникает вопроса о том, какую модель ДВС использовать. Однако двухтактные сдают свои позиции из-за высокой таксичности и шумности. Поэтому принято считать, что в каждой модели есть свои плюсы и минусы и выбирать, какой двигатель лучше использовать в том или ином случае, лучше по обстоятельствам.
Чем отличается двухтактный двигатель от четырёхтактного? Самое заметное отличие — это режимы воспламенения горючей смеси, что сразу можно заметить по звуку. Двухтактный мотор обычно издаёт пронзительный и очень громкий гул, тогда как четырёхтактному свойственно более спокойное мурлыканье.
Применение
В большинстве случаев разница состоит также в основном предназначении агрегата и его топливной эффективности. В двухтактных двигателях зажигание происходит при каждом обороте коленчатого вала, поэтому по мощности они в два раза превосходят четырёхтактные, в которых смесь воспламеняется только через оборот.
Четырёхтактные моторы экономичнее, зато тяжелее и дороже. Они обычно устанавливаются на автомобили и спецтехнику, в то время как на таких устройствах, как газонокосилки, мотороллеры и лёгкие катера, чаще встречаются более компактные двухтактные модели. А вот бензиновый генератор, например, можно найти как двухтактный, так и четырёхтактный. Двигатель скутера также может относиться к любому типу. Принцип работы этих двигателей в основном один и тот же, отличие только в способе и эффективности преобразования энергии.
Что такое такт?
Переработка топлива в обеих разновидностях моторов осуществляется посредством последовательного выполнения четырёх различных процессов, известных как такты. Скорость, с которой двигатель через эти такты проходит, — это именно то, чем отличается двухтактный двигатель от четырехтактного.
Первым тактом является впрыск. При этом поршень движется вниз по цилиндру, а впускной клапан открывается, чтобы впустить воздушно-топливную смесь в камеру сгорания. Далее идёт такт сжатия. Во время этого такта впускной клапан закрывается, а поршень движется по цилиндру вверх, сжимая находящиеся там газы. Такт рабочего хода начинается, когда происходит зажигание смеси. При этом искра от свечи воспламеняет сжатые газы, что приводит к взрыву, энергия которого толкает поршень вниз. Последним тактом является выпуск: поршень поднимается вверх по цилиндру, а выпускной клапан открывается, позволяя выхлопным газам выйти из камеры сгорания, чтобы можно было начать процесс снова. Возвратно-поступательные движения поршня вращают коленчатый вал, крутящий момент от которого передаётся на рабочие части устройства. Так происходит преобразование энергии сгорания топлива в поступательное движение.
Работа четырёхтактного двигателя
В стандартном четырёхтактном двигателе зажигание смеси происходит на каждом втором обороте коленчатого вала. Вращение вала приводит в действие сложный набор механизмов, обеспечивающих синхронное выполнение последовательности тактов. Открытие впускных или выпускных клапанов осуществляется с помощью кулачкового вала, который попеременно нажимает на коромысла. Возврат клапана в закрытое положение выполняется с помощью пружины. Чтобы избежать потери компрессии, необходимо, чтобы клапаны плотно прилегали к головке блока цилиндров.
Работа двухтактного двигателя
Теперь посмотрим, чем отличается двухтактный двигатель от четырехтактного по принципу работы. В двухтактных двигателях все четыре действия выполняются за один оборот коленчатого вала, во время хода поршня от верхней мёртвой точки к нижней, а затем обратно вверх. Выпуск отработанных газов (продувка) и впрыск горючего интегрированы в один такт, в конце которого происходит воспламенение смеси, и полученная энергия толкает поршень вниз. Такая конструкция устраняет необходимость использования клапанного механизма.
Место клапанов занимают два отверстия в стенках камеры сгорания. Когда поршень за счёт энергии сгорания перемещается вниз, выпускной канал открывается, позволяя отработанным газам выйти из камеры. При движении вниз в цилиндре образуется разрежение, за счёт которого через расположенный ниже впускной канал внутрь втягивается смесь воздуха и топлива. При движении вверх поршень перекрывает каналы и сжимает находящиеся в цилиндре газы. В этот момент срабатывает свеча зажигания, и весь описанный выше процесс повторяется снова. Важно то, что в двигателях такого типа зажигание смеси происходит при каждом обороте, что позволяет извлечь из них больше мощности, по крайней мере, в краткосрочной перспективе.
Соотношение массы и мощности
Двухтактные двигатели лучше подходят для устройств, от которых требуются быстрые и резкие всплески энергии, а не равномерная работа в течение длительного времени. Например, гидроцикл с двухтактным двигателем разгоняется быстрее, чем грузовик с четырёхтактным, однако он предназначен для кратковременных поездок, в то время как грузовик может проехать сотни километров, прежде чем ему понадобится отдых. Невысокая длительность работы двухтактников компенсируется низким отношением массы к мощности: такие двигатели обычно весят намного меньше, поэтому быстрее запускаются и достигают рабочей температуры. Для их перемещения также требуется меньше энергии.
Какой мотор лучше
В большинстве случаев четырёхтактные двигатели могут работать только в одном положении, тогда как двухтактные в этом отношении менее требовательны. Это во многом связано со сложностью движущихся частей, а также конструкцией масляного поддона. Такой поддон, обеспечивающий смазку двигателя, обычно присутствует только в четырёхтактных моделях и имеет огромную важность для их работы. У двухтактных двигателей обычно нет такого поддона, поэтому их можно эксплуатировать практически в любом положении без риска выплёскивания масла или прерывания процесса смазки. Для таких устройств, как бензопилы, циркулярные пилы и другие переносные инструменты, такая гибкость очень важна.
Топливная эффективность и экологическая составляющая
Часто выясняется, что компактные и быстрые двигатели сильнее загрязняют воздух и потребляют больше топлива. В нижней точке движения поршня, когда камера сгорания наполняется горючей смесью, некоторое количество топлива теряется, попадая в выпускной канал. Это можно увидеть на примере подвесного лодочного мотора; если присмотреться, вы разглядите вокруг него разноцветные маслянистые пятна. Поэтому двигатели такого рода считаются неэффективными и загрязняющими окружающую среду. Хотя четырёхтактные модели несколько тяжелее и медленнее, зато в них топливо сжигается полностью.
Стоимость приобретения и обслуживания
Меньшие по размеру двигатели обычно являются менее дорогими, как с точки зрения первоначальной покупки, так и в техническом обслуживании. Однако они рассчитаны на менее длительный срок службы. Хотя есть некоторые исключения, большинство из них не предназначено для непрерывной работы в течение более чем нескольких часов и рассчитано на не очень длительный срок эксплуатации. Отсутствие отдельной системы смазки также приводит к тому, что даже лучшие моторы такого типа относительно быстро изнашиваются и приходят в негодность из-за повреждения движущихся деталей.
Отчасти из-за отсутствия системы смазки в бензин, предназначенный для заливки в двухтактный двигатель скутера, например, необходимо добавлять определённое количество специального масла. Это ведёт к дополнительным затратам и хлопотам, а также может стать причиной поломки (если вы забудете подлить масла). Мотор 4-тактный в большинстве случаев требует минимума обслуживания и ухода.
Какой мотор лучше
В этой таблице кратко описывается, чем отличается двухтактный двигатель от четырехтактного.
№ |
Четырёхтактный двигатель |
Двухтактный двигатель |
1. |
Один такт рабочего хода на каждые два оборота коленчатого вала. |
Один такт рабочего хода на каждый оборот коленчатого вала. |
2. |
Приходится использовать тяжёлый маховик для компенсации вибраций, возникающих при работе двигателя из-за неравномерного распределения крутящего момента, так как воспламенение горючей смеси происходит только на каждом втором обороте. |
Нужен гораздо более лёгкий маховик и двигатель работает достаточно сбалансировано, так как крутящий момент распределяется намного равномернее из-за того, что воспламенение горючей смеси происходит при каждом обороте. |
3. |
Большой вес двигателя |
Вес двигателя намного меньше |
4. |
Конструкция двигателя усложнена за счёт клапанного механизма. |
Конструкция двигателя гораздо проще за счёт отсутствия клапанного механизма. |
5. |
Высокая стоимость. |
Дешевле, чем четырёхтактный. |
6. |
Невысокий механический КПД из-за трения большого количества деталей. |
Более высокий механический КПД из-за уменьшения трения за счёт небольшого количества деталей. |
7. |
Более высокая производительность благодаря полному удалению отработанных газов и впрыскиванию свежей смеси. |
Сниженная высокая производительность из-за смешивания остатков отработанных газов со свежей смесью. |
8. |
Более низкая рабочая температура. |
Более высокая рабочая температура. |
9. |
Водяное охлаждение. |
Воздушное охлаждение. |
10. |
Меньший расход и полное сгорание топлива. |
Более высокий расход топлива и смешивание свежего впрыска с остатками выхлопных газов. |
11. |
Занимает много места. |
Занимает меньше места. |
12. |
Сложная система смазки. |
Гораздо более простая система смазки. |
13. |
Низкая шумность. |
Более высокая шумность. |
14. |
Система газораспределения с клапанным механизмом. |
Вместо клапанов используются впускные и выпускные каналы. |
15. |
Высокая тепловая эффективность. |
Менее высокая тепловая эффективность. |
16. |
Низкое потребление масла. |
Более высокое потребление масла. |
17. |
Меньший износ движущихся деталей. |
Повышенный износ движущихся деталей. |
18. |
Устанавливается в автомобили, автобусы, грузовики и т. д. |
Используется в мопедах, скутерах, мотоциклах и т. д. |
В ней также приведены положительные и отрицательные качества каждого из этих двух типов.
Четырехтактный двигатель
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
,Stroke (двигатель) — Википедия переиздано // WIKI 2
В контексте двигателя внутреннего сгорания термин такт имеет следующие связанные значения
- Фаза цикла двигателя (например, такт сжатия, такт выпуска), во время которого поршень движется сверху вниз или наоборот.
- Тип силового цикла, используемого поршневым двигателем (например, двухтактный двигатель, четырехтактный двигатель).
- «Длина хода», расстояние, пройденное поршнем в каждом цикле.Длина хода — вместе с диаметром отверстия — определяет рабочий объем двигателя.
Энциклопедия YouTube
-
1/5
Просмотров:2 928 932
2 200 943
4 571 689
1 329 333
11 427
-
✪ Четырехтактный двигатель Как это работает
-
✪ 2-тактный двигатель против 4-тактный двигатель
-
✪ Как работают двигатели — (См. Двигатель в замедленном темпе) — умнее каждый день 166
-
✪ Как работает двигатель — 4-тактный двигатель
Содержание
Фазы в силовом цикле
Часто используемые фазы / удары двигателя (т.е.е. те, которые используются в четырехтактном двигателе) описаны ниже. Другие типы двигателей могут иметь очень разные фазы.
Индукционный / Впускной ход
Индукционный ход — это первая фаза четырехтактного двигателя (например, с циклом Отто или с дизельным циклом). Он включает в себя движение поршня вниз, создавая частичный вакуум, который втягивает топливовоздушную смесь (или только воздух, в случае двигателя с непосредственным впрыском) в камеру сгорания. Смесь поступает в цилиндр через впускной клапан в верхней части цилиндра.
Ход сжатия
Ход сжатия — вторая из четырех ступеней в четырехтактном двигателе.
На этом этапе топливно-воздушная смесь (или только воздух, в случае двигателя с непосредственным впрыском) сжимается поршнем в верхнюю часть цилиндра. Это является результатом движения поршня вверх, уменьшая объем камеры. В конце этой фазы смесь воспламеняется — от свечи зажигания для бензиновых двигателей или от самовоспламенения для дизельных двигателей.
Сжигание / Мощность / Расширение хода
Ход сгорания — третья фаза, где воспламененная воздушно-топливная смесь расширяется и толкает поршень вниз. Сила, создаваемая этим расширением, создает мощность двигателя.
Ход выхлопа
Ход выхлопа является последней фазой в четырехтактном двигателе. На этом этапе поршень движется вверх, выдавливая газы, которые образовались во время такта сгорания. Газы выходят из цилиндра через выпускной клапан в верхней части цилиндра.В конце этой фазы выпускной клапан закрывается и открывается впускной клапан, который затем закрывается, чтобы впустить свежую воздушно-топливную смесь в цилиндр, чтобы процесс мог повториться.
Типы силовых циклов
Термодинамический цикл, используемый поршневым двигателем, часто описывается количеством ходов для завершения цикла. Наиболее распространенными конструкциями двигателей являются двухтактные и четырехтактные. Менее распространенные конструкции включают пятитактные двигатели, шеститактные двигатели и двух- и четырехтактные двигатели.
Двухтактный двигатель
Двухтактные двигатели завершают рабочий цикл каждые два хода, что означает, что рабочий цикл завершается с каждым оборотом коленчатого вала. Двухтактные двигатели обычно используются в (обычно больших) судовых двигателях, электроинструментах на открытом воздухе (например, газонокосилках и бензопилах) и мотоциклах.
Четырехтактный двигатель
Четырехтактные двигатели завершают рабочий цикл каждые четыре хода, что означает, что рабочий цикл завершается каждые два оборота коленчатого вала.Большинство автомобильных двигателей имеют четырехтактный дизайн.
Длина хода
Длина хода — это расстояние, которое поршень проходит в цилиндре, который определяется кривошипами коленчатого вала.
Объем двигателя рассчитывается путем умножения площади поперечного сечения цилиндра (определяется диаметром отверстия) на длину хода. Это число умножается на количество цилиндров в двигателе, чтобы определить общее смещение.
,