Принципы работы четырехтактного бензинового и дизельного двигателей

Четырехтактный двигатель скутера и мопеда — устройство и принцип работы

Изначально все скутеры объемом до 50 кубических сантиметров комплектовались исключительно двухтактными двигателями, а мопеды и скутеретты, такие как легендарная Honda Cub — четырехтактными. Этому есть объяснение. Скутер имеет безступенчатую коробку передач в виде вариатора, а вариатор нуждается в постоянно высоких оборотах, при этом пик мощности должен соответствовать скорости вращения коленвала.

Идеальным образом при минимальных расчетах для этой цели подходят двухтактные двигатели.

Мопеды и скутеретты имеют от двух до четырех передач, при этом максимально эффективным двигателем для такой трансмиссии является четырехтактный. Кроме того, он значительно экономичен и тяговит.

Спустя некоторое время после изобретения скутера, инженеры начали задумываться о внедрении маломощного четырехтактного двигателя и на молокубатурники, при этом, по мощности они не должны били уступать своим двухтактным братьям. Также ставилась задача сделать их более экономичными, менее шумными и в значительной мере повысить надежнось.

Устройство четырехтактного двигателя

Ниже на схеме обозначен цикл работы. Как видите, топливо и кислород, поступая в карбюратор, смешиваются в заведомо заданной пропорции, образуя этим самым топливную смесь. Далее она подается в цилиндр, где сжимается поршнем, а затем воспламенятся. После этого газы расширяются и через клапан выпуска, уходят в крбюратор.

Когда речь идет о мощности, основным параметром следует отметить объем камеры сгорания, или, как говорят, объем двигателя. Следует отличать полный и рабочий объем.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Работа двигателя в целом состоит из четырех циклов, это:

1) Впуск2) Сжатие3) Расширение4) ВыпускКаждый цикл имеет четкое назначение и воспроизводится с заведомо рассчитанной точностью. Малейшие отклонения в расчетах ведут к понижению мощности и неправильной работе.

Рассмотрим каждый из тактов в отдельности.

Во время такта впуска, впускной клапан открыт, выпускной зарыт.

Такт сжатия

После того, как в камеру сгорания подается определенное количество смеси, клапан впуска закрывается, а поршень начинает движение от нижней мертвой точки (НМТ) вверх. Во время движения вверх, он сжимает смесь, доводя ее к критическим нормам.

Такт расширения или рабочего хода

Именно во время третьего такта происходит самый важный процесс в двигателе. Когда уже рабочая смесь сжата, смесь воспламеняется искрой, образуется взрыв. Вследствие теплового расширения, поршень начинает движение вниз, и с большой силой давит через шатун на коленвал. Именно в этот момент происходит рабочий ход

Очень важно, чтобы свеча воспламеняла рабочую смесь в нужный момент, от этого зависит основа правильной работы двигателя, как четырехтактного, так и двухтактного

Такт выпуска

Во время такта выпуска, после расширения, уже отработанные газы через выпускной клапан уходят в глушитель.

Глушитель четырехтактного двигателя не выполняет функции резонатора и имеет абсолютно другое строение, в отличие от двухтактного. Они не взаимозаменяемы, и это очень важный момент, например если вы решили поменять глушитель. Этого делать нельзя. Он служит лишь для гашения звука, а также в некоторых современных моделях содержит фильтрующие элементы, для соответствия евростандартам.

Преимущества четырехтактного двигателя на скутере

Преимуществ у четырехтактного двигателя гораздо больше, чем недостатков. И в данном случае сравнивать мы его будем конечно же с двухтактными моторами. Итак, плюсы:— экономичность (потребляют значительно меньше топлива);— долговечность (срок службы на порядок больше);— экологичность (меньше выбросов в атмосферу);— стабильность ( как на холостых так и при движении; четырехтактный двигатель работает стабильнее, менее вибрирует и лучше работает в — сложных условиях, например зимой),— шум при работе двигателя гораздо тише.

Недостатки четырехтактного двигателя на скутере

— большой вес;— высокая стоимость;— ниже мощность, по сравнению с двухтактником, но только при наборе скорости;— сложность и дороговизна в ремонте.Дальнейшая перспектива таких двигателей очевидна, это неизбежный переход и отказ от громких и неэкономичных, но в то же время мощных двухтактных скутеров.

Как Отто двигатель разрабатывал

Агрегат, изобретенный ученым по имени Альфонс Бо де Роша, а затем построенный немецким инженером Николаусом Отто в 1867 году, в те годы считался максимумом технологичности и практически совершенством. Аналогов для него просто не существовало. Мотор был очень недорогим в эксплуатации, имел компактные размеры, а также ему не нужно было частое обслуживание.

Работа четырехтактного двигателя была построена по четкому алгоритму. Сегодня его называют «циклом Отто». В 1875 г. Николаус Отто в своей компании выпускал больше, чем 600 двигателей за год.

Читать также: Принцип работы шестеренного масляного насоса

Где применяется

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

На 4-х тактные силовые агрегаты обратили внимание и энергетики. Используют их для питания стационарных и аварийных электрогенераторов, установленных в местах, где линии электропередач подвести невозможно или экономически нецелесообразно

Кроме того, такие генераторы устанавливают на объектах, где отключение подачи электроэнергии невозможно (больницы, банки, воинские части и пр.).

https://youtube.com/watch?v=ilZyCD-QlJg

Электронный тюнинг двигателя

Современные дизельные двигатели все чаще оснащаются электроникой. Датчики, которые следят за нагрузкой, контролируют количество подаваемого топлива и состав топливного заряда, подают сигналы на центральный блок управления, который подбирает наиболее эффективный и экономичный режим работы. При аккуратном влиянии на эту систему с помощью дополнительного оборудования можно повышать мощность мотора в определенных пределах – это называется чип-тюнинг. Сразу нужно отметить, что чип-тюнинг не всесилен, он может улучшить работу двигателя в пределах заложенного запаса прочности и частенько приводит к преждевременному износу систем.

Для повышения мощности дизельного двигателя могут использоваться специальные модули или блоки:
— блок, изменяющий импульсы управления форсунками;
— блок замещения режимов топливного насоса высокого давления (ТНВД);
— блок, изменяющий показания датчика давления топливного аккумулятора;
— модуль оптимизации режимов.

Первый вариант – наиболее известный среди любителей автотюнинга. Принцип работы такого блока заключается в том, что он блокирует кратковременные импульсы предварительного и последующего открытия иглы форсунки, что снижает расход топлива. Блок можно установить практически на любой модели, но его работа снижает ресурс мотора и сказывается на качестве сгорания топливного заряда.

Второй вариант можно использовать только на определенных моделях двигателей. Принцип действия этого блока заключается в том, что он подает сигнал с заниженными показателями давления в системе, что приводить к его повышению. В этом случае «страдает» ТНВД и форсунки, но мощность двигателя действительно увеличивается, а расход топлива уменьшается.

Третий вариант предусматривает подключение блока, который подает на ЭБУ сигнал о допустимо пониженном значении давления в топливном аккумуляторе. В результате давление автоматически повышается и по-новому определяется время и интенсивность впрыска топлива. При этом повышается мощность и экономится топливо, но снижается ресурс ТНВД и сажевого фильтра, на стенках цилиндра образуется нагар, двигатель начинает «дымиться».

Наиболее безопасным и эффективным является четвертый вариант. Модуль, подключаемый к системе питания, не подменяет нужными цифрами истинные значения рабочих параметров, а посылает сигнал на ЭБУ о необходимости изменения длительности впрыскивания топлива. В отличие от предыдущих блоков, данный модуль не приносит никакого вреда ни двигателю, ни ТНВД, так что ресурс систем и механизмов не уменьшится. Недостатком данного способа повышения мощности является его высокая стоимость, ограниченность в применении и сложность конструкции. Он не дает моментального эффекта – его действие можно почувствовать только через некоторое время.

Есть и другие способы, в том числе и использование оборудования, которое меняет истинное значение стехиометрических величин, но их применение может привести к серьезным проблемам с двигателем.

Одной из серьезных проблем, возникающих у дизельных двигателей — это так называемый «разнос двигателя». Это нештатный режим работы дизельного двигателя, при котором происходит неуправляемое повышение частоты вращения вала двигателя. Такой режим обычно наблюдается после запуска или при резком сбросе нагрузки. Основных причин разноса две: неисправность топливного насоса высокого давления и попадание большого количества моторного масла в камеру сгорания.

4ех тактный дизельный двигатель внутреннего сгорания

4-тактный дизельный двигатель внутреннего сгорания. Это «брат — близнец» другого двигателя — бензинового. Конструктивно «дизель» мало чем отличается от бензинового собрата, но вот принцип работы у этих двигателей отличаются, именно поэтому двигатели внутреннего сгорания пошли по 3 разным путям развития.

Дизельные двигатели являются наиболее востребованными силовыми агрегатами, которые используются в самых разных отраслях. Ими оснащаются легковые и грузовые автомобили, стационарные силовые установки, спецтехника, суда и тепловозы. Это своеобразные «рабочие лошадки», которым можно доверить самую тяжелую работу. С момента своего появления в 1897 году дизели практически не изменили принцип работы и общую схему строения, но с каждым годом они совершенствуются с целью уменьшения их веса и габаритов, снижения расхода топлива и повышения их мощности. В основном модернизация заключается в разработке электронных систем, которые контролируют работу основных систем и механизмов мотора с целью определения оптимального режима его работы.

Основная отличительная черта дизельного двигателя от его главного бензинового конкурента – это способ воспламенения топливо в цилиндрах, которое загорается при контакте с сжатым воздухом во время рабочего такта, что исключает детонацию внутри цилиндров и дает возможность повысить степень сжатия, а также использовать различные системы наддува, повышающие мощность.

Эффективность любого, в том числе и дизельного, двигателя зависит от количества вырабатываемой энергии во время сжигания топлива в цилиндрах. В этом отношении дизельный двигатель намного эффективнее своего бензинового собрата, что достигается за счет более высокой степени сжатия, достигающей 20-24 единиц, и более рационального расхода топлива, который напрямую зависит от нагрузок. Если сравнить дизельный и бензиновый мотор одинакового объема, первый будет потреблять в 1,5 раза меньше топлива. КПД дизельного двигателя составляет около 40%, а с применением дополнительной системы наддува – все 50%, что в 1,5-2 раза выше, чем у бензинового. Дизельные двигатели в своем строении имеют более прочные и надежные элементы, рассчитанные на работу в условиях высокого давления, поэтому они более долговечные. А вот недостатком таких моторов является их большая масса, шум при работе, затруднительный пуск при минусовой температуре. При эксплуатации нужно тщательно следить за исправностью плунжерной пары, от которой напрямую зависит качество работы двигателя.В связи с тем что экономически и по эффективности дизельные двигатели себя оправдывают, а с увеличением размеров выгода их только возрастает, их применяют на океанском и морском флотах, на всех видах надводных кораблей гражданского назначения.

Рабочий цикл карбюраторного двигателя:

— Такт сжатия

Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы сгорание топлива успело, полностью закончится к моменту достижения поршнем НМТ, то есть для наиболее эффективной работы двигателя. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором, воздействующим на прерыватель). В современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику.

Гифка наглядно демонстрирует процесс работы четырехтактного двигателя

— Такт выпуска После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет выхлопные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, и цикл начинается сначала.

Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемещается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью.

Коэффициент остаточных газов характеризует степень загрязнения свежего заряда отработавшими газами и представляет собой отношение массы продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре, к массе свежей горючей смеси. Для карбюраторных двигателей коэффициент остаточных газов находится в пределах 0,06-0,12.

По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными.

Рабочий цикл дизельного двигателя Рабочие циклы четырёхтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно различаются по способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Основное отличие состоит в том, что в цилиндр дизеля при такте впуска поступает не горючая смесь, а воздух, который из–за большой степени сжатия нагревается до высокой температуры, а затем в него впрыскивается мелкораспыленное топливо, которое под действием высокой температуры воздуха самовоспламеняется.

Чем отличается двухтактный двигатель от четырехтактного

Таким образом, четырехтактные двигатели дороже сопоставимых по объему двухтактных и сложнее в эксплуатации. В тоже время они имеют больший срок эксплуатации и более экономичны. Четырехцилиндровый 4 тактный двигатель часто ставится на автомобили и тракторы, на инвертор-генераторы.

Источник

Двухтактный двигатель

В двухтактных двигателях все рабочие циклы (процессы впуска топливной смеси, выпуска отработанных газов, продувки) происходят в течении одного оборота коленвала (а не двух, как в четырёхтактных) за два (а не четыре) основных такта. У двухтактных двигателей отсутствуют клапаны (как в четырехтактных ДВС), их роль выполняет сам поршень, который в процессе перемещения то закрывает, то открывает впускные, выпускные и продувочные окна. Поэтому двухтактный двигатель более прост в конструкции.

Мощность двухтактного двигателя при одинаковых размерах цилиндра и частоте вращения вала теоретически в два раза больше четырехтактного за счет большего в 2 раза числа рабочих тактов. Однако неполное использование хода поршня двухтактного двигателя для расширения, худшее освобождение цилиндра от остаточных газов и затраты части вырабатываемой мощности на продувку приводят практически к увеличению мощности только на 60 — 70%.

Итак, рассмотрим конструкцию двухтактного ДВС, показанную на рисунке 1: Двухтактный двигатель состоит из картера, в который на подшипниках с двух сторон установлен коленчатый вал и цилиндр.

Смазка всех трущихся поверхностей и подшипников внутри двухтактных двигателей происходит за счёт топливной смеси, — смеси бензина и масла в определённой пропорции. Из рисунка 1 видно, что топливная смесь (желтый цвет) попадает и в кривошипную камеру двухтактного двигателя (полость, где закреплен и вращается коленчатый вал), и в цилиндр. Смазки там нигде нет, а если бы и была, то смылась бы топливной смесью. Вот по этой причине масло и добавляют в определенной пропорции к бензину. Тип масла используется специальный, именно для двухтактных двигателей. Оно должно быть способно выдерживать высокие температуры и, сгорая вместе с топливом, оставлять минимум зольных отложений, то есть нагара.

Теперь о принципе работы. Весь рабочий цикл в двухтактных двигателях осуществляется за два такта.

Такт сжатия — двухтактный двигатель

Поршень двухтактного двигателя поднимается от НМТ поршня (в таком положении он находится на рис. 2) к ВМТ поршня (положение поршня на рис.3), перекрывая сначала продувочное 2, а затем выпускное 3 окна цилиндра двухтактного двигателя. После закрытия поршнем выпускного отверстия в цилиндре начинается сжатие ранее поступившего в него топливной смеси. Одновременно в кривошипной камере 1 вследствие ее герметичности и после того как пoршень перекрывает продувочные окна 2, под поршнем создается разряжение, под действием которого из карбюратора через впускное окно и открывающийся клапан поступает горючая смесь в кривошипную камеру двухтактного двигателя.

Такт рабочего хода — двухтактный двигатель

При положении поршня около ВМТ сжатая рабочая смесь (1 на рис. 3) воспламеняется электрической искрой от свечи, после этого температура и давление смеси резко подскакивают. Под действием теплового расширения газов поршень двухтактного двигателя опускается к НМТ, в это время расширяющиеся газы сгоревшей смеси совершают полезную работу, толкая поршень. В это же время, опускаясь, поршень создает высокое давление в кривошипной камере двухтактного двигателя (сжимая топливо-воздушную смесь в ней). Под действием давления клапан закрывается, не давая таким образом горючей смеси снова попасть во впускной коллектор и затем в карбюратор.

Когда поршень двухтактного двигателя дойдет до выпускного отверстия (1 на рис. 4), оно откроется и таким образом выйдут отработавшие газы в выпускную систему, давление в цилиндре понизится. При дальнейшем перемещении поршень открывает продувочное (впускное) окно (1 на рис. 5) и горючая смесь, сжатая в кривошипной камере, поступает по каналу (2 на рис. 5), заполняя цилиндр и одновременно продувая его от остатков отработавших газов. Далее цикл повторяется.

Немного о принципе зажигания. Так как топливной смеси нужно время для воспламенения, искра на свече появляется чуть раньше, чем поршень достигает ВМТ. В идеале, чем быстрей движения поршня, тем раньше должно быть зажигание, потому что поршень от момента искры быстрее доходит до ВМТ. Существуют механические и электронные устройства, меняющие угол зажигания в зависимости от оборотов двигателя.

У большинства скутеров до 2000 г.в. таких систем не было и угол опережения зажигания был установлен в расчете на оптимальные обороты. На некоторых же скутерах, например Honda Dio ZX AF35, установлен электронный коммутатор с динамическим опережением, то есть с опережением, зависящим от оборотов коленвала. С ним расширяющаяся горючая смесь совершает работу с максимальной полезной отдачей, и двигатель развивает больше мощности.

Классификация двигателей

Конструкция ДВС бывает различной. Каждый разработчик мотора пытается внести свои улучшения, повысить мощность и экономичность, снизить выбросы вредных веществ и стоимость агрегата. Давайте посмотрим, по каким критериям классифицируют двигатели внутреннего сгорания.

По рабочему циклу

Рабочий цикл ДВС — это последовательность процессов внутри каждого цилиндра, в результате которой энергия топлива превращается в механическую энергию. Цикл может быть двухтактным или четырехтактным:

• четырёхтактный мотор работает по «циклу Отто» или Аткинсона и включает в себя такты: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск;
• в двухтактном ДВС впуск и сжатие происходят одновременно за один такт, а рабочий ход переходит в выпуск на втором такте.

По типу конструкции

По конструкции ДВС делятся на:

• поршневые, в которых расширяющиеся при сгорании газы приводят в движение поршень, который в свою очередь толкает коленвал;
• роторные.Растущее давление газов воздействует на ротор, соединённый с корпусом через зубчатую передачу. Роторный мотор не имеет ГРМ. Его функции выполняют впускные и выпускные окна в боковых стенках корпуса;
• газовые турбины. В этих двигателях внутреннего сгорания газы с высокой скоростью попадают на лопатки силовой турбины, которая соединяется через редуктор с трансмиссией. Для нагнетания воздуха в мотор установлен турбинный компрессор.

Моторы могут быть без наддува, с турбокомпрессором или нагнетателем. Конструкция подбирается под назначение двигателя: будь то стационарная установка или транспорт.

По количеству цилиндров

Одно цилиндровые двигатели работают неравномерно, что не критично для лодочных моторов, мопедов и мотоциклов. Двигатель автомобиля устроен сложнее, поскольку нужна высокая мощность, а значит и большой объём цилиндра. Так, в транспорте малого класса применяются 4-цилиндровые моторы. В грузовые автомобили ставят 6- и 8-цилиндровые ДВС.

По принципу создания рабочей смеси

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания различается способами смесеобразования:

• внешнее: в карбюраторных моторах и в агрегатах с впрыском топлива во впускной коллектор;
• внутреннее: в дизельных двигателях и бензиновых с непосредственным впрыском в камеру сгорания.

По расположению цилиндров

Поршневые двигатели автомобиля различаются компоновочной схемой блока цилиндров и могут представлять собой конструкцию:

• рядную;
• V-образную;
• оппозитную с углом развала между поршнями 180°;
• VR-образную;
• W -образную.

Похожая статья Технические характеристики и отзывы двигателя 2AZ FE

В зависимости от компоновки моторы устанавливаются в подкапотное пространство вертикально, горизонтально или под углом к вертикальной плоскости для уменьшения высоты конструкции.

По типу топлива

Работа двигателя внутреннего сгорания происходит за счёт сжигания смеси воздуха с бензином, газа или дизеля. В качестве газового топлива ДВС применяются углеводород, сжиженный газ, смесь пропана и бутана, метан, водород.

По принципу работы ГРМ

Выше мы рассматривали, что ГРМ может быть устроен по схеме OHV, ОНС или DОНС. Выбор компоновки влияет на принцип работы двигателя. Также приводы клапанов различаются способами регулировки тепловых зазоров, которые увеличиваются в результате нагрева конструкции. Настройку зазоров проводят вручную, меняя специальные винты в коромыслах, или устанавливают гидрокомпенсаторы для автоматической регулировки.