Название и принцип работы Впускная система автомобиля устройство, принцип работы

Принципиальная схема работы поршневого двигателя внутреннего сгорания на примере наиболее распространённого в мировом двигателестроении 4-цилиндрового 4-тактного рядного двигателя.Возвратно-поступательное движение поршней посредством кривошипно-шатунного механизма преобразуется во вращение коленвала

Реже встречаемые разновидности поршневого ДВС — свободнопоршневые генераторы газа и дизель-молоты. Первые вырабатываемую энергию сразу используют для сжатия газа (магистральные и промышленные компрессоры), вторые — в энергию тяжёлого поршня, передающего с каждым ударом энергию забиваемой свае.

Поршневой ДВС является самым распространённым тепловым двигателем. Он используется для привода средств наземного, воздушного и водного транспорта, военной, сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, компрессоров, водяных насосов, помп, моторизованного инструмента (бензорезок, газонокосилок, бензопил) и прочих машин, как мобильных, так и стационарных, и производится в мире ежегодно в количестве нескольких десятков миллионов изделий. Мощность поршневых двигателей внутреннего сгорания колеблется в пределах от нескольких ватт (двигатели авиа-, мото- и судомоделей) до 75 000 кВт (судовые двигатели).

В рамках технической термодинамики работа поршневых двигателей внутреннего сгорания в зависимости от особенностей их циклограмм описывается термодинамическими циклами Отто, Дизеля, Тринклера, Аткинсона или Миллера.

Циклы двигателяПравить

Четырёхтактный цикл двигателя внутреннего сгоранияТакты: 1. Впуск(подача топливо-воздушной смеси)2. Сжатие3. Рабочий ход4. Выпуск

Двухтактный цикл.Такты: 1. При движении поршня вверх — сжатие топливной смеси в текущем цикле и всасывание смеси для следующего цикла в полость под поршнем2. При движении поршня вниз — рабочий ход, выхлоп и вытеснение топливной смеси из-под поршня в рабочую полость цилиндра

Поршневые ДВС, являясь машинами периодического действия (рабочие процессы в их камерах сменяют друг друга), классифицируются прежде всего по тактности (такт — это одно движения поршня (вверх или вниз), по времени он занимает пол-оборота коленчатого вала).

Разработаны и применяются (применялись) 2-х, 4-х и 6-тактные двигатели, то есть полный рабочий цикл в них происходит за 1, 2 и 3 оборота коленчатого вала соответственно. Поскольку рабочий ход является единственным тактом с выделением энергии, то повышение мощности двигателя при равных показателях цикла (индикаторное давление) возможно путём уменьшения тактности.

И в самом деле, по этой причине 2-тактные двигатели имеют большое распространение в устройствах, требующих минимальной массы (газонокосилки, подвесные лодочные моторы, резервные бензоэлектрогенераторы). Устройство их проще, а цена ниже, но экологические и экономические качества уступают 4-тактным. Поэтому большинство транспортных двигателей 4-тактные.

Главные судовые двигатели, наоборот, обычно двухтактные. Причина в том, что добиться высокой экономичности двухтактного дизеля всё-таки возможно, но путём усложнения и удорожания системы продувки. Такой двигатель будет иметь меньшую массу, а значит, улучшит показатели судна или корабля. Реверс двухтактного двигателя технически осуществить легче, поскольку не требуется перестановка кулачковых валов (трансмиссия крупных судов не имеет реверс-редуктора, задний ход осуществляется реверсом дизеля).

Шеститактные двигатели применялись ранее в железнодорожном транспорте, с целью обхода патентных платежей. Ввиду сложности и отсутствия преимуществ, дальнейшего развития они не получили.

Рабочий цикл наиболее распространённых (4-тактных) поршневых ДВС занимает два полных оборота кривошипа или четыре такта:

• Впуска (воздуха или топливо-воздушной смеси);
• Сжатия заряда (для роста КПД);
• Рабочего хода (расширение продуктов сгорания);
• Выпуска (выхлопа).

Двухтактные двигатели имеют всего два такта:

• Сжатия заряда;
• Рабочего хода.

Однако впуск и выпуск рабочего тела у двухтактных двигателей происходит, когда поршень находится вблизи нижней мёртвой точки и является нетривиальной задачей. Многочисленность вариантов газораспределительного механизма показывает огромную важность данной задачи. Короткое время газообмена двухтактного двигателя обычно не позволяет добиться столь же полной очистки и наполнения цилиндров, как у четырёхтактных, поэтому мощность их при равном рабочем объёме не удваивается. Сказывается и влияние потерянного хода поршня, так что мощность таких двигателей лишь в 1,5..1,7 раза выше четырёхтактных равной форсировки.

Варианты газораспределительного механизма

• поршневое (более простой вариант золотникового, только на 2-тактных; имеет те же проблемы);
• клапанное в различном исполнении (наиболее распространены схемы с двумя и четырьмя клапанами на цилиндр, с одним или двумя верхними распредвалами)) — имеют наибольшее распространение на двигателях среднего и крупного размера;
• комбинированные (клапанно-щелевые, клапанно-золотниковые и другие схемы).

В целом, среди остальных систем двигателя, газораспределительный механизм отличается наибольшим разнообразием исполнения по причинам:

• различной тактности и типа цикла двигателя (искровой, дизельный);
• назначения двигателя, обуславливающего стоимость дальнейшего снижения его массы и/или повышения удельной мощности;
• ресурсных требований;
• требований к экономичности и экологичности;
• требований к транспортным характеристикам двигателя (запас крутящего момента, согласованность с трансмиссией или винтом);
• удобства обслуживания и ремонта и другим, которым схемы ГРМ отвечают в разной степени.

Недостатком большинства двигателей внутреннего сгорания является то, что они развивают наивысшую мощность только в узком диапазоне оборотов. Поэтому частым спутником транспортного двигателя внутреннего сгорания является трансмиссия. Лишь в некоторых случаях (например, в самолётах, вертолётах и кораблях) можно обойтись без сложной трансмиссии. Постепенно завоёвывает мир идея гибридного автомобиля, в котором мотор всегда работает в оптимальном режиме (электротрансмиссия). Двигатели с разным циклом работы имеют отличающийся набор систем, например, дизельный не имеет системы зажигания, а искровой — топливного насоса высокого давления, кроме систем с непосредственным впрыском топлива.

Обычно двигателю внутреннего сгорания необходимы: система питания (для подачи топлива и воздуха — приготовления топливо-воздушной смеси), выхлопная система (для отвода выхлопных газов), также не обойтись без системы смазки (предназначена для уменьшения сил трения в механизмах двигателя, защиты деталей двигателя от коррозии, а также совместно с системой охлаждения для поддержания оптимального теплового режима), системы охлаждения (для поддержания оптимального теплового режима двигателя), система запуска (применяются способы запуска: электростартерный, с помощью вспомогательного пускового двигателя, пневматический, с помощью мускульной силы человека), система зажигания (для воспламенения топливо-воздушной смеси, применяется у двигателей с принудительным воспламенением). Это относится не только к поршневым, но и к газотурбинным и реактивным ДВС, где масса таких систем может превысить массу основных деталей. Таким образом, может случиться, что даже значительная форсировка не позволит значительно сократить массогабариты, если они ограничены, например, системой охлаждения.

Отношение хода поршня к диаметру цилиндра (S/D)

Одним из конструктивных параметров ДВС является отношение хода поршня к диаметру цилиндра (или наоборот). Для более быстроходных бензиновых двигателей это отношение близко к 1 или менее, на дизельных моторах ход поршня, как правило, больше диаметра цилиндра. Уменьшение S/D позволяет сократить габариты двигателя при практически равной мощности (потому что скорость поршня при соответствующем увеличении числа оборотов сохранится прежней). Чем больше ход поршня, тем больший крутящий момент развивает двигатель, и тем ниже его рабочий диапазон оборотов. Таким образом, из двух двигателей равной мощности короткоходный будет легче и меньше.

Однако, для уменьшения S/D имеются конструктивные границы. При сокращении хода, рост частоты вращения приведёт к увеличению потерь трения, в том числе и аэродинамических при движении кривошипов и шатунов; растут силы инерции; станет затруднительным или невозможным получить нужную форму камеры сгорания при достаточной степени сжатия; из-за увеличения соотношения поверхности к объёму камеры сгорания возрастёт теплоотдача. При значительном росте быстроходности двигателя задача газообмена становится затруднительной, а сгорание смеси может не доходить до конца. Поэтому длинноходные двигатели имеют обычно лучшую топливную экономичность, а необходимой удельной мощности в них достигают применением турбонаддува.

Поршневой ДВС с искровым зажиганием (двигатель Отто)Править

Является наиболее распространённым по количеству, поскольку число автомобилей в мире на 2014 год составляло более 1,2 млрд., и большая их часть приводится в движение двигателем Отто. Классический цикл Отто четырёхтактный, хотя раньше него возникли двухтактные моторы с искровым зажиганием. Но ввиду плохих экологических и экономических (расход горючего) показателей, двухтактные двигатели применяют всё реже.

Имеет два варианта подачи топлива: инжектор и карбюратор.

Является наиболее распространённым вариантом, установлен на значительной части транспортных машин (ввиду меньшей массы, стоимости, хорошей экономичности и малошумности). Имеет два варианта системы подачи топлива: инжектор и карбюратор. В обоих случаях в цилиндре сжимается топливо-воздушная смесь, подверженная детонации, поэтому степень сжатия и уровень форсирования такого двигателя ограничены октановым числом топлива.

Особенностью является получение топливо-бензиновой смеси (распылённой потоком воздуха) в специальном смесителе, карбюраторе. Ранее такие бензиновые двигатели преобладали; теперь, с развитием микропроцессоров, их область применения стремительно сокращается (применяются на маломощных ДВС, с низкими требованиями к расходу топлива).

Особенностью является получение топливной смеси в коллекторе или открытых цилиндрах двигателя путём подачи инжекторной системой подачи топлива. В настоящий момент является преобладающим вариантом ДВС Отто, поскольку позволяет резко упростить электронное управление двигателем. Нужная степень однородности смеси достигается за счет увеличения давления форсуночного распыливания топлива. Одним из вариантов является непосредственный впрыск топлива, кроме высокой равномерности позволяющий повысить степень сжатия (а значит, и экономичность) двигателя. Впервые системы впрыска появились на авиационных двигателях, поскольку позволяли дозировать смесь в любом положении двигателя.

Газовые двигатели с искровым зажиганием

Это обычный поршневой ДВС, работающий по циклу Отто (с искровым зажиганием), использующий в качестве топлива углеводороды, находящиеся при в газообразном состоянии. Эти двигатели имеют широкое применение, например, в электростанциях малой и средней мощности, использующих в качестве топлива природный газ (в области высоких мощностей безраздельно господствуют газотурбинные энергоблоки). Могут работать по 2-тактному циклу, однако 4-тактный вариант распространён больше.
Обусловленные конкретным видом газомоторного топлива конструктивные различия:

• сжиженные газы (либо СУГ — хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров, до 16 атм; либо СПГ — требует криогенного оборудования). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
• КПГ — хранится в баллонах под давлением 150—250 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя.
• генераторный газ — газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное (в качестве твёрдого топлива используются: уголь, кокс, угольные брикеты, топливные пеллеты, дрова, древесный уголь, торф и т. п.). У транспортных двигателей, используемых для работы на генераторном газе без переделки, основной причиной снижения мощности является уменьшение величины заряда рабочей смеси, поскольку добиться удовлетворительного охлаждения газа на подвижной технике затруднительно. Но эта проблема не имеет существенного значения для стационарных двигателей, где масса и габариты охладителя мало ограничены. На двигателях, специально изменённых или специально разработанных для работы на генераторном газе, посредством повышения степени сжатия и незначительного наддува газогенератора достигаются равные с бензиновыми двигателями литровые мощности.

Двигатель с воспламенением от сжатияПравить

Работа четырёхтактного дизельного двигателя. Клапаны: слева — впуск воздуха; справа — выхлопные газы

Дизельные двигатели обычно менее быстроходны и при равной мощности с бензиновыми характеризуются большим крутящим моментом на валу. Также некоторые крупные дизельные двигатели приспособлены для работы на тяжёлых топливах, например, мазутах. Запуск крупных дизельных двигателей осуществляется, как правило, за счёт пневматической схемы с запасом сжатого воздуха, либо, в случае с дизель-генераторными установками, от присоединённого электрического генератора, который при запуске выполняет роль стартера.

Вопреки расхожему мнению, современные двигатели, традиционно называемые дизельными, работают не по циклу Дизеля, а по циклу Тринклера — Сабатэ со смешанным подводом теплоты. Недостатки дизельных двигателей обусловлены особенностями рабочего цикла — более высокой механической напряжённостью, требующей повышенной прочности конструкции и, как следствие, увеличения её габаритов, веса и увеличения стоимости за счёт усложнённой конструкции и использования более дорогих материалов. Также дизельные двигатели за счет гетерогенного сгорания характеризуются неизбежными выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.

Обозначение и параметры поршневых ДВСПравить

Например, обозначение 6Ч15/18 указывает на 6-цилиндровый четырёхтактный двигатель с диаметром поршней 15 см и ходом 18 см, 12ДКРН20/30 — на 12-цилиндровый двухтактный крейцкопфный реверсивный с наддувом, диаметр поршней 20 см и ходом 30 см (примеры условны).

Стандартами определяются также технические условия (температура воздуха, атмосферное давление и влажность, вид топлива, потребление мощности внешними агрегатами) для испытаний ДВС, например, на мощность. Поскольку условия такие в разных странах отличаются, то и заявленная производителем мощность может отличаться по локальным стандартам в ту или иную сторону (ввиду разброса размеров деталей, например, системы газораспределения, мощность двигателей всегда имеет естественный заводской разброс; у двухтактных ДВС, ввиду большего влияния этой системы на мощность, такой разброс выше).

Основные параметры двигателяПравить

С работой поршневого двигателя внутреннего сгорания связаны следующие параметры.

• Верхняя мёртвая точка (в. м. т.) — крайнее верхнее положение поршня.
• Нижняя мёртвая точка (н. м. т.) — крайнее нижнее положение поршня.
• Радиус кривошипа — расстояние от оси коренной шейки коленчатого вала до оси его шатунной шейки
• Ход поршня — расстояние между крайними положениями поршня, равное удвоенному радиусу кривошипа коленчатого вала. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на угол 180° (пол-оборота).
• Такт — часть рабочего цикла, происходящего при движении поршня из одного крайнего положения в другое.
• Объём камеры сгорания — объём пространства над поршнем, когда он находится в верхней мертвой точке.
• Рабочий объём цилиндра — объём, освобождаемый поршнем при перемещении его от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке.
• Полный объём цилиндра — объём пространства над поршнем при нахождении его в нижней мёртвой точке. Полный объём цилиндра равен сумме рабочего объёма цилиндра и объёма камеры сгорания.
• Рабочий объём двигателя для многоцилиндровых двигателей — это произведение рабочего объёма на число цилиндров.
• Степень сжатия — отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания.

Характеристики ДВСПравить

Потребительские качества поршневого двигателя характеризуются следующими показателями:

• Массовые показатели, в кг на литр рабочего объёма (обычно от 30 до 80) — удельная масса, и в кВт/кг — удельная мощность. Они важнее для транспортных, особенно для авиационных, двигателей.
• Удельный расход топлива, г/л.с.*час (г/кВт*ч), или для конкретных видов топлив с разной плотностью и агрегатным состоянием, л/кВт*ч, м3/кВт*ч.
• Ресурс в часах (моточасах). Некоторые применения ДВС (пусковые ДВС, двигатели ПТУР, торпед и дронов), и потому в их конструкции могут отсутствовать, например, фильтры для масла и воздуха. Ресурс таких специфических ДВС, как огнестрельное оружие, исчисляют в количестве выстрелов до смены ствола. Наиболее долговечные двигатели должны иметь ресурс в десятки и сотни тысяч часов (судовые и мощные стационарные), соответствующий ресурсу судна или силовой установки.
• Экологические характеристики (), определяющие возможность его эксплуатации.
• Транспортные характеристики, определяющие кривую крутящего момента в зависимости от числа оборотов. При работе двигателя по винтовой характеристике, обычно без трансмиссии, специальная корректировка транспортной характеристики не требуется, но в автомобилях и тракторах хорошая транспортная характеристика (высокий запас крутящего момента, ) позволяют уменьшить число передач в трансмиссии и облегчить управление.
• Шумность двигателя, зачастую определяемая его применением в люксовых моделях автомобилей или . Для снижения шумности часто снижают жёсткость подвески двигателя, усложняют схемы выпуска газов (например, выпуск газов через винт в подвесных моторах), а также капотируют.

Внешняя скоростная характеристика 2,7-литрового шестицилиндрового двигателя Porsche Boxster

Внешняя и частичные скоростные характеристики двигателей с количественным регулированием (бензиновые ДВС). Внешние скоростные характеристики — это верхние кривые момента и мощности

Для потребителей производители предоставляют внешние скоростные характеристики с нетто-мощностью ISO-1585, согласно региональному стандарту измерения мощности ДВС, который зависит от температуры, давления, влажности воздуха, применяемого топлива и наличия отбора мощности на установленные агрегаты. Двигатели производителей США обычно испытывают по другому стандарту (SAE). Внешней эту характеристику называют потому, что линии мощности и крутящего момента проходят выше частичных скоростных характеристик, и нельзя получить мощность выше этой кривой манипуляциями с органами подачи топлива.

В публикациях 1980-х годов и более ранних приводятся скоростные характеристики, базирующиеся на измерении мощности брутто (кривая крутящего момента, соответственно, также располагается на графике выше).

Внешняя, частичные, и абсолютная скоростные характеристики двигателя с качественным регулированием мощности (дизели). Абсолютная скоростная характеристика — самые верхние линии момента и мощности, длительная работа с такой подачей топлива не допускается

В последнее время, в связи с ростом экологических требований, предельно допустимый ресурс двигателя ограничен не только его снижением мощности и расхода топлива, но и ростом вредных выбросов. Во всех случаях происходит постепенный износ подшипников и уплотнений валов, а в связи с зависимостью основного механизма двигателя от вспомогательных агрегатов ресурс ограничен отказом первого из них.

Топливная экономичность искровых ДВСПравить

Сжатие топливо-воздушной смеси в искровых ДВС повышает их эффективность (КПД), но рост степени сжатия также увеличивает вызываемое сжатием нагревание рабочей смеси согласно закону Шарля. Если топливо легковоспламеняемое, вспышка происходит до достижения поршнем ВМТ. Это приводит к такому увеличению давления в процессе сжатия, что повредит двигателю. Поэтому в двигателе с искровым зажиганием (отто-мотор) самовоспламенение топлива недопустимо. Самовоспламенение, требующее значительного времени для предпламенных реакций, иногда возникает при достаточно малом числе оборотов, проявляется обычно как то, что двигатель не глохнет при выключении зажигания, а продолжает неравномерное вращение, иногда в обратную сторону (калильное зажигание от свечей и частиц нагара). Это может приводить к повреждению двигателя, поэтому для его исключения принимаются конструктивные меры.

В результате этого для каждого двигателя, с учётом его быстроходности, выбранной степени сжатия, угла опережения зажигания, величины подогрева заряда, способа смесеобразования и турбулизации заряда, существует предел работы без детонации на данном виде топлива. Применение топлива с меньшей стойкостью может приводить к описанным выше явлениям в двигателе, что вызывает его отказ. Стойкость топлива к детонационному сгоранию определяют обычно по сравнению с эталонной смесью изооктана и н-гептана. Если бензин имеет октановое число 80, его стойкость соответствует смеси 80% изооктана и 20% н-гептана. Для топлив, имеющих стойкость выше изооктана, число определяют сравнением смешением других смесей. В общем случае, величина измеренного ОЧ зависит от методики. Стойкость топлива к самовоспламенению и детонационная стойкость не равнозначны (нет линейной корреляции). Поэтому организация рабочего процесса в двигателе должна учитывать обе опасности.

В двигателях с воспламенением от сжатия, самовоспламенение топлива носит позитивный характер и оценивается цетановым числом топлива. Большее число показывает более быстрое воспламенение; обычно применяют топлива с ЦЧ более 40. Жёсткость сгорания в дизелях ограничена постепенным сгоранием топлива по мере его подачи, поэтому классической детонации при исправной топливной аппаратуре в таком двигателе не наблюдается.

Термодинамика классического поршневого ДВСПравить

Тепловой расчёт ДВС был впервые разработан русским профессором Гриневецким, директором Императорского Московского технического училища. Его жизнь в 1919-м оборвала Гражданская война. В нашей стране его продолжателем явились такие русские инженеры как Брилинг, Мазинг и Сикорский (последний эмигрировал).

Первым и главнейшим в расчёте каждого поршневого ДВС является его рабочий объём.

, где i и D — диаметр и число цилиндров, а S — ход поршня.

Одним из главных показателей цикла ДВС служит индикаторный КПД, зависящий от степени сжатия и показателя политропы рабочего тела.

Вторым важным уравнением является связь индикаторной мощности с рабочим объёмом двигателя, числом оборотов и степенью форсировки (приведённым индикаторным давлением).

Индикаторный КПД двигателя вычисляется на основании данных индикаторной мощности, расхода топлива, и его теплотворной способности.

Эффективная мощность и эффективное индикаторное давление отличаются от индикаторных на величину механических потерь, выраженных через механический КПД.

Механические потери включают в себя как трение цилиндро-поршневой группы и механизма газораспределения, так и потери в навесных агрегатах (помпа, маслонасос, генератор) и потери в процессе газообмена (отрицательная петля работы в индикаторной диаграмме 4-тактного ДВС).

Термодинамические показатели в целом не связаны с устройством конкретного двигателя, но соответствующие коэффициенты в формулах, обусловленные механическими потерями, максимальной степенью сжатия и плотностью воздуха на впуске, определены конструкцией. Термодинамические показатели влияют не только на КПД и мощность, но и экологические показатели двигателя.

Влияние поршневых ДВС на экологию, и экологических требований на их конструкциюПравить

В первые десятилетия развития автотранспорта этому не уделялось достаточное внимание, поскольку автомобилей было меньше. В дальнейшем производителей обязали соблюдать определённые нормы выбросов, причём они становятся строже. Для уменьшения выбросов в принципе возможны три пути:

• Выбор экологически чистого топлива (водород, природный газ) или улучшение традиционного жидкого (бензин и дизтопливо «Евро-5»).
• Изменение параметров цикла двигателя или разработка новых (снижение степени сжатия, расслоение заряда, внутрицилиндровый впрыск, системы компьютерного управления с использованием датчиков кислорода, система Common rail на дизелях, и др.).
• Снижение содержания вредных выбросов с использованием термических (ранее) и каталитических (настоящее время) катализаторов.

Существующие нормы токсичности в развитых странах требуют обычно применения нескольких способов сразу. При этом обычно ухудшается экономичность как автомобилей, так и всего транспортного (включая нефтеперегонные заводы) комплекса, поскольку оптимумы циклов по экономичности и экологичности у двигателей обычно не совпадают, а изготовление высокоэкологичного топлива требует больше энергии.

Для снижения выбросов во многих случаях приходится уменьшать степень сжатия, максимальную частоту вращения (необходимая мощность в таких случаях достигается меньше влияющим на выбросы турбонаддувом); конструкторам пришлось отказаться от перспективнейшего по экономичности применению бензиновых ДВС, работающих на обеднённой смеси. Тем не менее, несмотря на выполнение норм по вредным выбросам, в настоящее время встал вопрос о дальнейшем применении двигателей на ископаемых топливах в связи с проблемой глобального потепления. С учётом также и ограниченных запасов нефти в ближайшие десятилетия следует ожидать расширения доли двигателей на возобновляемых топливах, а также электродвигателей на перспективных электромобилях. Тем самым, область применения поршневых ДВС начнёт сужаться.

ЛитератураПравить

• В. П. Алексеев, В. Ф. Воронин, Л. В. Грехов и др. «ДВС: устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей» / под ред. А. С. Орлина и М. Г. Круглова. — 4-е, переработанное и дополненное. — Москва: Машиностроение, 1990. — 288 с. — ISBN 5-217-00117-8.
• Д. Н. Вырубов, С. Е. Ефимов, Н. А. Иващенко и др. «ДВС: конструирование и расчёт на прочность поршневых и комбинированных двигателей» / под ред. А. С. Орлина и М. Г. Круглова. — 4-е, переработанное и дополненное. — Москва: Машиностроение, 1984. — 384 с.
• А. Н. Ларионов, Н. Н. Ларионова, В. В. Чёрнышев. «Термодинамические циклы». — Воронеж: Издательско-полиграфический центр ВГУ, 2007. — С. 14-30. — 77 с.
• В. М. Архангельский, М. М. Вихерт, А. Н. Воинов и др. «Автомобильные двигатели» / под ред. М. С. Ховаха. — Москва: Машиностроение, 1977. — 591 с.
• Butz, J. S. Powerplants — Piston & Turbine. // Flying Magazine. — November 1963. — Vol. 73 — No. 5 — P. 33-36, 102—104.

Стандарты и спецификации

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 небольшой мощности (тяжелые двигатели ради высокой удельной мощности выполняются двухтактными).

Работа четырёхтактного двигателя в разрезе. Цифрами обозначены такты

Порядок работыПравить

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырех тактов, каждый из которых представляет 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. Засчёт сжатия достигается бо́льшая удельная мощность, чем могла бы быть у двигателя, работающего при атмосферном давлении (такого как двигатель Ленара), засчёт 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 двигателяПравить

• 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.

ИсторияПравить

Идеализированный цикл Отто, показанный в координатах давление (Р) и объём (V): , 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, характеризующими такт выпуска (D). TDC — верхняя мёртвая точка; BDC — нижняя мёртвая точка

Четырёхтактный двигатель впервые был запатентован Алфоном де Роше в 1861 году. До этого около 1854—1857 годов два итальянца (Евгенио Барсанти и Феличе Матоцци) изобрели двигатель, который, по имеющейся информации, мог быть очень похож на четырёхтактный двигатель, однако тот патент был утерян.

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 механизмПравить

Атрибутивный агрегат четырёхтактного двигателя, управляет газообменом при смене тактов, обеспечивая поочередное подключение полости цилиндра к впускному и выхлопному коллекторам.

Управление газораспределением может осуществляться:

— 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. Особенно 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 возвратная 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).