ᐉ Принцип работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС)
Принцип действия двигателя внутреннего сгорания (ДВС) показан на рисунке, где для наглядности совмещена индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя и его принципиальная схема.
Поршень, перемещаемый в цилиндре диаметром D, шарнирно соединен с шатуном, который в свою очередь шарнирно соединен с кривошипом коленчатого вала. В головке цилиндра установлены впускной к1, и выпускной к2 клапаны, которые связывают полость внутри цилиндра с окружающей средой. Поршень совершает возвратно-поступательное движение (ход поршня S), а коленчатый вал — вращательное. Так как двигатель четырехтактный, одному обороту коленчатого вала соответствуют два хода поршня.
Рис. Индикаторная диаграмма работы четырехтактного ДВС и его принципиальная схема
При движении поршня от клапанов внутрь цилиндра через впускной клапан к1 засасывается горючая смесь (кривая О—1′). Прямая a—а’ соответствует давлению окружающей среды. При впуске не происходит изменение параметров состояния смеси (р, v и Т), меняются лишь масса (G) и объем (V) смеси. При обратном движении поршня горючая смесь сжимается по адиабате (кривая 1’—2). Происходит изменение состояния смеси, параметры p, v и Т при постоянном количестве смеси, заключенной в цилиндре, при сжатии изменяются. Клапаны при этом закрыты.
По окончании сжатия смесь зажигается и очень быстро сгорает. Прямая 2—3 соответствует изменению состояния рабочего тела, причем происходит изменение как термодинамических параметров, так и химического состава рабочего тела. До вспышки (точка 2) рабочее тело представляло собой горючую смесь, в конце горения (точка 3) это уже продукт горения.
На этом этапе происходит очень резкое увеличение давления (р) и температуры (Т). Теплотой, выделившейся в результате сгорания смеси, нагреваются продукты сгорания, их давление и температура увеличиваются.
Когда поршень делает третий ход, происходит процесс расширения газов (кривая 3—4), осуществляется адиабатный процесс изменения состояния продуктов сгорания.
При четвертом ходе поршня, который совпадает по направлению со вторым, из цилиндра удаляются продукты сгорания через выпускной клапан к2. Причем начало этого процесса совпадает с концом процесса расширения (прямая 4—1). Избыточное давление в цилиндре падает. При этом не происходит изменения состояния рабочего тела, так как падает давление с р4 до р1 не в результате охлаждения рабочего тела посредством теплообмена в холодильнике, а путем выпуска рабочего тела, т.е. без теплообмена.
Далее, при движении поршня в сторону клапанов происходит принудительное удаление остатков продуктов сгорания из цилиндра (кривая 1—0)у меняется масса (G) и объем (V) рабочего тела. Далее цикл повторяется.
Таким образом, цикл двигателя внутреннего сгорания формируется четырьмя возвратно-поступательными ходами поршня, называемыми тактами двигателя. Поэтому данный двигатель называется четырехтактным.
Если у двигателя отсутствуют такты впуска и выпуска, то он называется двухтактным, и его вал делает один оборот за цикл. Цикл двухтактного двигателя состоит из тех же процессов, что и для четырехтактного, а название тактов определяется основными процессами, которые протекают в цилиндре (такт расширения и такт сжатия). При этом процессы впуска свежего заряда и выпуска продуктов сгорания осуществляются соответственно в начале такта сжатия и в конце такта расширения, протекая почти одновременно. Площадь фигуры 1234 на индикаторной диаграмме соответствует работе за один цикл.
На рисунке показана индикаторная диаграмма четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Диаграмма термодинамического цикла отлична от индикаторной диаграммы, так как она показывает изменение состояния рабочего тела, а индикаторная — изменение давления в цилиндре в зависимости от положения поршня.
ДВС, как это видно из рисунка, не работают по замкнутому круговому процессу, но их циклы условно считают круговыми обратимыми циклами и при их исследовании используют те же термодинамические методы изучения, для чего действительные процессы, протекающие в ДВС, заменяются обратимыми термодинамически ми процессами. Составленный из термодинамических обратимых процессов цикл исследуется на термический КПД, работу и параметры состояния.
Исследование теоретических циклов позволяет определить максимальный с точки зрения термодинамики КПД в данных условиях и факторы, которые влияют на экономичность двигателя.
По принципу работы, т. е. по характеру подвода теплоты к рабочему телу циклы ДВС можно разбить на три группы:
- циклы с подводом теплоты к газу при постоянном объеме;
- циклы с подводом теплоты к газу при постоянном давлении;
- смешанные циклы — с подводом теплоты к газу частично при постоянном объеме, частично при постоянном давлении.
Термодинамические циклы исследуются одним методом, который включает в себя следующие этапы:
- по условию и характеру работы двигатели строится индикаторная диаграмма цикла;
- определяются параметры рабочего тела в характерных точках на основании формул, выражающих соотношения между параметрами состояния для процессов данного цикла;
- определяются теплота и работа цикла;
- определяется термический КПД цикла по формуле:
n = I — (q2/q1)
- выявляются факторы, влияющие на термодинамический КПД, и определяются пути его повышения.
Как работает 4-тактный двигатель, требования к вспомогательным системам | 🚘Авто Новости Онлайн
Содержание
- Виды двигателей внутреннего сгорания
- Цикл работы автомобильного движка
- Особенности систем двигателя
- 4-тактный двигатель: описание преимуществ
- Минусы четырехтактных силовых агрегатов
- Особенности работы системы смазки четырехтактного мотора
- Требования, предъявляемые к моторным маслам для четырехтактного двигателя
Каждый современный четырехтактный автомобильный двигатель имеет в своем составе некоторое количество цилиндров. Равномерная синхронная работа силового агрегата осуществляется благодаря отлаженной одновременной работе всей группы цилиндров.
Поршни цилиндров во время рабочего хода оказывают мощное толкающее воздействие на коленчатый вал. При тщательных регулировках систем двигателя необходимо обеспечить отлаженность толчков поршней для полного уравновешивания сил, действующих на коленвал, с целью исключения возможных вибраций мотора и гарантирования его стабильной ровной работы.
Виды двигателей внутреннего сгорания
В зависимости от типа потребляемого топлива двигатели внутреннего сгорания (ДВС) различают по видам:
Карбюраторные силовые агрегаты работают на бензине, используя принудительное зажигание. Принцип работы карбюраторных моторов: топливо в расчетных количествах поступает в рабочий цилиндр после смешивания его с воздушными массами.
Дизели работают на дизельном топливе. Принцип работы: при помощи форсунок подаваемое дизельное топливо обогащается воздухом непосредственно в цилиндрах.
Газовый двигатель внутреннего сгорания использует пропано-бутановый газ. Принцип работы газового мотора состоит в предварительном смешивании газа с кислородом перед подачей его в цилиндр.
Цикл работы автомобильного движка
Работа 4-тактного двигателя происходит по определенному циклу, состоящему из четырех тактов. Полный цикл завершается после совершения коленчатым валом двух полных оборотов или четырех ходов поршня. Четырехтактный силовой агрегат в процессе функционирования оказывает усиленное воздействие на коленчатый вал для приведения в действие рабочих систем автомобиля.
В процессе работы двигателя поршень совершает ходы в 4 такта:
- впуск;
- сжатие;
- расширение;
- выпуск.
При функции впуска полость цилиндра заполняется топливовоздушной смесью в результате перемещения поршня в нижнее положение, в нижнюю мертвую точку (НМТ).
Во время движения поршня в верхнюю мертвую точку (ВМТ) рабочая смесь сильно сжимается.
Функция расширения заключается в воспламенении топливовоздушной смеси под воздействием высокого давления, возникающего в процессе сжатия, или при помощи электрической искры. При воспламенении газы мгновенно расширяются и с большой силой толкают поршень вниз.
Четвертый такт выпуска производится благодаря перемещению поршня в верхнее положение. В это время образовавшиеся продукты сгорания выталкиваются из цилиндров.
Особенности систем двигателя
Четырехтактный двигатель функционирует бесперебойно благодаря слаженной работе вспомогательных систем:
В задачу системы зажигания входит обеспечение надежного воспламенения топливовоздушной горючей смеси.
В процессе работы выпускной системы подается воздух в необходимых количествах в точно определенное время, чтобы образовать качественную рабочую смесь.
Осуществление непрерывной подачи горючего для смешивания с воздушными массами входит в обязанность топливной системы.
Без работы системы смазки невозможны следующие функции:
- стабильный контакт трущихся деталей;
- удаление мельчайших металлических фрагментов, возникающих в процессе износа трущихся поверхностей;
- отвод повышенного тепла от рабочих элементов.
Система выхлопа занимается полным удалением из цилиндров отработавших газов, уменьшением содержания в них вредных веществ.
Охлаждающая система следит за поддержанием номинальной температуры рабочих элементов движка.
4-тактный двигатель: описание преимуществ
Четырехтактный силовой агрегат обладает несомненными преимуществами:
- экономичным расходом топлива;
- надежностью конструкции;
- легкостью в обслуживании;
- устойчивой работой;
- высокой длительностью ресурса;
- отсутствием повышенных шумовых эффектов.
К одному из основных достоинств устройства четырехтактного силового агрегата относится оригинальное расположение коленчатого вала в ванне, содержащей машинное масло для 4-тактных двигателей. В то время как в двухтактных моторах смазывание трущихся поверхностей происходит за счет смешивания специального машинного масла с топливом.
Благодаря улучшенной конструкции 4-тактный двигатель имеет небольшое количество нагара в поршнях и в глушителе, что дает возможность существенно уменьшить вредность выхлопных газов.
Минусы четырехтактных силовых агрегатов
Основным недостатком 4-тактных движков является меньшая мощность в сравнении с 2-тактными аналогами.
Часть кинетической энергии, полученной коленчатым валом от толчков поршней, расходуется на совершение впуска, сжатия и выпуска. Т. е. энергия, полученная в ходе химических процессов сгорания, частично расходуется на механическое приведение в движение внутренних рабочих элементов движка.
Во время сгорания топливной смеси происходит кратковременное мощное возрастание нагрузки на головку блока цилиндров (ГБЦ), поршни и прочие рабочие элементы движка. Во избежание их разрушений и выхода из строя возникает необходимость увеличения массы этих компонентов с целью увеличения их прочности. Данные преобразования влекут возрастание инерции и нагрузок на элементы, находящиеся в движении.
Все описанные моменты приводят к частичному отбору мощности 4-тактного двигателя.
К минусам также можно отнести увеличение периода разгона автомобиля в сравнении с 2-тактными моторами и необходимость регулировки тепловых зазоров клапанов.
Несмотря на наличие некоторых недостатков, очевидные достоинства четырехтактных силовых агрегатов являются неоспоримыми.
Особенности работы системы смазки четырехтактного мотора
В конструкцию четырехтактного силового агрегата включен масляный картер с поддоном, в котором постоянно находится смазочная жидкость на определенном уровне. При помощи масляного насоса моторная смазка поступает в систему и распределяется по внутренним поверхностям стенок цилиндров.
Тонкая масляная пленка существенно уменьшает силу трения контактирующих подвижных элементов. Кольца маслосъемные тщательно отводят моторное масло от камеры сгорания.
Благодаря меньшим нагрузкам, испытываемым 4-тактным двигателем, обеспечивается систематическое поступление смазочного материала в требуемых объемах на трущиеся поверхности рабочих деталей и узлов. За счет этого ресурс двигателя существенно увеличивается. Полную замену машинного масла следует производить один раз в сезон.
Чтобы предотвратить возможные утечки моторного масла из ДВС во время эксплуатации силового агрегата, необходимо регулярно замерять количество смазочной жидкости в картере при помощи специального маслозамерного щупа.
На современных моделях автомобилей производители устанавливают специальные контрольные датчики, при помощи которых производятся проверка уровня машинной смазки и незамедлительное информирование водителя о потребности полной замены смазочного материала.
Требования, предъявляемые к моторным маслам для четырехтактного двигателя
В связи с конструкционными особенностями 4-тактных моторов смазочные материалы, используемые в смазочной системе, должны обладать определенными характеристиками и уровнями качества в соответствии с предъявляемыми требованиями:
При соблюдении вышеперечисленных пунктов смазочная жидкость будет правильно подобрана. Выбранное моторное масло с успехом защитит детали от износа, будут созданы все необходимые условия для долгой и безотказной работы четырехтактного силового агрегата.
Источник
Четырехтактный цикл | Определение, история и факты
- Развлечения и поп-культура
- География и путешествия
- Здоровье и медицина
- Образ жизни и социальные вопросы
- Литература
- Философия и религия
- Политика, право и правительство
- Наука
Спорт и отдых- Технология
- Изобразительное искусство
- Всемирная история
- Этот день в истории
- Викторины
- Подкасты
- Словарь
- Биографии
- Резюме
- Популярные вопросы
- Обзор недели
- Инфографика
- Демистификация
- Списки
- #WTFact
- Товарищи
- Галереи изображений
- Прожектор
- Форум
- Один хороший факт
- Развлечения и поп-культура
- География и путешествия
- Здоровье и медицина
- Образ жизни и социальные вопросы
- Литература
- Философия и религия
- Политика, право и правительство
- Наука
- Спорт и отдых
- Технология
- Изобразительное искусство
- Всемирная история
- Britannica объясняет
В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы. - Britannica Classics
Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica. - Demystified Videos
В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы. - #WTFact Видео
В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти. - На этот раз в истории
- Студенческий портал
Britannica — лучший ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д. - Портал COVID-19
Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня. - 100 женщин
Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю. - Спасение Земли
Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать! - SpaceNext50
Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы изучаем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!
Содержание
- Введение
Краткие факты
- Факты и сопутствующий контент
Четырехтактный двигатель | Конструкция, работа и ограничения
под редакцией Редакционная группа | Теплотехника
Несмотря на мнение, что простота означает эффективность, эта фраза не совсем подходит для двигателей. Хотя четырехтактный двигатель более эффективен, чем его двухтактный аналог, он имеет небольшую нагрузку на компоненты. Давайте посмотрим, что такое четырехтактные двигатели, и посмотрим на их конструкцию и работу.
Четырехтактный двигатель
Четырехтактный двигатель — это двигатель внутреннего сгорания (ВС), который выполняет 4 такта за 1 термодинамический цикл для выработки энергии.
Ход означает полный ход поршня по цилиндру. Таким образом, в четырехцилиндровом двигателе в первом такте поршень перемещается из нижней мертвой точки (НМТ) в верхнюю мертвую точку (ВМТ), а во втором такте — из ВМТ обратно в НМТ. Это приводит к одному обороту коленчатого вала . Когда поршень проходит этот процесс дважды, то всего получается 4 хода. Так как во время всех этих процессов двигатель вырабатывает мощность только один раз, из-за чего этот двигатель и получил название четырехтактный двигатель.
Конструкция четырехтактного двигателя
Понимание того, как работают эти двигатели, требует визуализации и знания их конструкции. На простейшем уровне эти двигатели имеют поршень-цилиндр , коленчатый вал , клапаны , распределительный вал, и свечи зажигания или топливную форсунку .
Схема четырехтактного двигателя.Компоненты, из которых состоят эти двигатели:
- Поршень-цилиндр: Как и любой двигатель внутреннего сгорания, они также имеют поршни и цилиндры, содержащие воздушно-топливную смесь и передающие энергию на механическое вращение коленчатого вала.
- Коленчатый вал: Преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение. Это также помогает в процессе сжатия.
- Свеча зажигания или топливная форсунка: В бензиновом двигателе свеча зажигания воспламеняет топливно-воздушную смесь. А в дизелях вместо свечи зажигания стоит топливная форсунка, которая распыляет топливо внутри цилиндра.
- Клапаны: Клапаны — это отверстия, через которые воздух или топливная смесь и выхлопные газы входят и выходят из двигателя. В отличие от двухтактного двигателя, в котором порты открываются и закрываются за счет движения поршня, клапаны в этих двигателях управляются распределительными валами, которые открывают и закрывают клапаны в заданное время.
- Распределительные валы: Это асимметричный вал с имеющимися на нем кулачками, который открывает и закрывает клапаны. Вращение этих валов создается зубчатой цепью или зубчатым ремнем, соединенным с коленчатым валом.
Работа четырехтактного двигателя
Эти двигатели, как и любой тепловой двигатель, в каждом цикле охватывают 4 термодинамических процесса. Эти четыре процесса выполняются при каждом такте четырехтактного двигателя.
Как вы уже знаете, инсульт означает. Теперь давайте посмотрим, что делают такты в этих двигателях:
- Такт впуска: Впускной клапан открыт, а выпускной клапан закрыт. Поршень движется от ВМТ к НМТ, что создает вакуум в цилиндре, который всасывает воздух или топливную смесь в двигатель через впускной клапан.
- Такт сжатия: Клапаны остаются закрытыми, а поршень движется от НМТ к ВМТ. Таким образом, сжимая воздушную или топливную смесь в небольшой объем и тем самым повышая ее температуру.
- Рабочий ход: При закрытых обоих клапанах свеча зажигания (в бензиновом двигателе) воспламеняет сжатую смесь. В результате воспламенения смесь расширяется, тем самым воздействуя на поршень.
- Такт выпуска: Последний такт — это когда выпускной клапан открывается и поршень перемещается из НМТ в ВМТ. Это движение поршня выталкивает выхлопные газы из двигателя через выпускные клапаны.
В конце четвертого такта цикл завершается, и весь процесс начинается заново; это идет постоянно.
Четырехтактный двигатель работает.Чтобы дать вам представление о том, как быстро происходит этот процесс. Обычный двигатель велосипеда или скутера обычно работает со скоростью от 4000 до 6000 об/мин. Это означает от 4000 до 6000 оборотов коленчатого вала в минуту. Таким образом, за одну секунду оборот коленчатого вала составляет
$$4000/60 = 66,6 \text{ об/с}$$
Каждый оборот представляет собой завершение вышеуказанных четырех событий (тактов). В результате в каждую секунду описанный выше процесс происходит 33 раза (66/2) раз. Удивительно, правда? В F1, далее увеличивается в 4 раза это.
Разница между четырехтактным и двухтактным двигателем
Помимо того простого факта, что количество тактов, которое они совершают для завершения одного термодинамического цикла, у этих двух двигателей гораздо больше различий в конструкции и работе.
Разница между двухтактными и четырехтактными двигателями:
- Клапаны вместо портов: В четырехтактном двигателе некоторые клапаны приводятся в действие распределительным валом. В то время как двухтактный двигатель имеет порты, которые открывает и закрывает поршень.
- Отдельное моторное масло: Вместо смешивания смазочного масла с топливом в четырехтактном двигателе используется картер для хранения смазочного масла, что не позволяет смазочному маслу смешиваться с топливом. Это приводит к уменьшению загрязнения и увеличению срока службы смазочного масла.
- Высокий КПД: Отсутствие продувки и правильного сгорания приводит к повышению эффективности этих двигателей.
- Половина числа рабочих тактов: Так как этот цикл завершается за четыре такта, т. е. 2 оборота. Поэтому он дает вдвое меньше рабочих тактов на оборот по сравнению с двухтактным двигателем.
Преимущество четырехтактного двигателя
Хотя эти четырехтактные двигатели несколько сложнее двухтактных. Несомненно, он обладает многими преимуществами, которые делают его весьма применимым в практических приложениях.
Некоторые ключевые преимущества, которыми обладают эти двигатели:
- Хорошая топливная экономичность: В целом, эти двигатели могут обеспечить достаточную топливную экономичность благодаря своей конструкции и рабочей мифологии.
- Масло не добавляется дополнительно: Наличие в этих системах отдельной системы смазки устраняет необходимость добавления моторного масла в топливный бак для смазки.
- Долговечность: Чем выше контакт между поверхностями, тем выше износ между деталями. Четырехтактные двигатели рассчитаны на работу на более низких оборотах, что увеличивает срок службы двигателя, так как он меньше изнашивается.
Ограничения 4-тактного двигателя
Сложная и изощренная конструкция этих двигателей имеет свою цену, причем не только сложную по конструкции, но и более дорогостоящую по конструкции.
Области, в которых 4-тактный двигатель отступает:
- Сложный дизайн: Использование клапанов, цепи привода ГРМ и распределительного вала представляет собой небольшую часть дополнительных деталей по сравнению с двухтактным двигателем.
- Дорого: В этих двигателях больше деталей, что напрямую увеличивает стоимость этих двигателей.
Выводы
Некоторые ключевые выводы из этого поста:
- Четырехтактный двигатель: Четырехтактные двигатели представляют собой двигатель внутреннего сгорания (ВС), который совершает 4 такта за 1 термодинамический цикл для выработки энергии.
- Разница между четырехтактными и двухтактными двигателями: Разница заключается в их конструкции, работе и количестве деталей.
- Преимущество: Как правило, более эффективен и долговечен без добавления дополнительного смазочного масла в топливо.