Робочий цикл чотиритактного двигуна — специфічні особливості, схема та опис

Автолюбителі повинні хоча б у загальних рисах знати, як влаштований і працює двигун. У більшості автомобілів встановлено чотирьохтактний чотирициліндровий мотор. Розгляньмо робочий цикл чотирьохтактного двигуна. Далеко не всі знають, які процеси відбуваються, коли автомобіль знаходиться в русі.

Загальний принцип дії

Двигун працює наступним чином. У камеру згоряння потрапляє паливна суміш, далі вона стискається під впливом поршня. Після цього суміш займається. Це призводить до розширення продуктів згоряння, вони тиснуть на поршень і виходять з циліндра.

У двотактних двигунах один оборот колінчастого валу здійснюється в два такти. Чотирьохтактний поршневий двигун здійснює робочий цикл за два обороти колінчастого валу. Двигуни оснащуються ГРМ. Що це за механізм? Це елемент, який дозволяє впускати паливну суміш в камери і випускати звідти продукти згоряння. Обмін газів здійснюється в момент окремого обігу колінного валу. Газообмін відбувається за рахунок руху поршня.

Історія

Перший пристрій, що нагадує чотиритактний мотор, винайшли Фелічче Матоці та Євген Барсанті. Але цей винахід неймовірним чином загубили. Лише в 1861 році схожий агрегат запатентували.

А перший придатний до використання двигун розробив інженер з Німеччини Ніколаус Отто. Мотор отримав ім’я винахідника, а робочий цикл чотирьохтактного двигуна також носить ім’я цього інженера.

Основні відмінності чотирьохтактних моторів

У двотактному двигуні поршневі і циліндрові пальці, колінчастий вал, підшипники і компресійні кільця змащуються за рахунок олії, яку доливають у паливо. У чотирьохтактному моторі всі вузли встановлені в масляній ванні. Це істотна відмінність. Тому в чотиритактному агрегаті немає необхідності змішувати масла і бензин.

Переваги системи полягають у тому, що на дзеркалі в циліндрах і на стінках глушника кількість нагара значно менша. Ще одна відмінність — у двотактних двигунах у вихлопну трубу потрапляє горюча суміш.

Робота двигуна

Незалежно від типу мотора, принцип його роботи аналогічний. Сьогодні існують карбюраторні мотори, дизельні, інжекторні. У всіх моделях відбувається один і той же робочий цикл чотирьохтактного двигуна. Давайте детально розглянемо, які ж процеси працюють всередині мотора і змушують його приходити в рух.

Чотирьохтактний цикл — це послідовність з чотирьох робочих тактів. За початок зазвичай приймається такт, коли в камери згоряння потрапляє горюча суміш. Хоч за час його течії в двигуні проходять і інші дії, позначуваний такт — це один робочий процес. Наприклад, такт стиснення — це не тільки стиснення. У цей період суміш перемішується в циліндрах, починається формування газу, вона займається.

Те ж саме можна сказати і про інші етапи роботи двигуна. Найважливіше тут те, що різні процеси для кращого розуміння і спрощення робочого циклу чотирьохтактного двигуна розкладають лише на чотири такти.

Впуск

Отже, в камері згоряння силового агрегату цикли перетворень енергії починаються з реакції горіння паливної суміші. При цьому поршень знаходиться в самій верхній своїй точці (положення ВМТ), а потім рухається вниз. В результаті в камері згоряння двигуна виникає розріження. Під його впливом горюча рідина всмоктує паливо. Впускний клапан при цьому знаходиться у відкритому положенні, а випускний закритий.

Коли поршень починає рух вниз, то над ним збільшується обсяг. Це і викликає розріження. Воно становить приблизно 0,071-0,093 МПа. Таким чином, в камеру згоряння потрапляє бензин. В інжекторних двигунах паливо впорскується форсункою. Після надходження суміші в циліндр її температура може становити 75 до 125 градусів.

Те, як сильно циліндр буде заповнений паливною сумішшю, визначають за коефіцієнтами заповнення. Для двигунів з карбюраторною системою харчування даний показник складе від 0,64 до 0,74. Чим вище значення коефіцієнта, тим більш потужний мотор.

Стиснення

Після заповнення камери згоряння горючою сумішшю бензинових парів і повітря, якщо колінвал виробляє обертальні рухи, поршень почне повертатися в своє нижнє положення. Впускний клапан на даному етапі почне закриватися. А випускний буде все ще закритий.

Робочий хід

Це третій такт робочого циклу чотирьохтактного двигуна внутрішнього згоряння. Він найважливіший у роботі силового агрегату. Саме на даному етапі роботи двигуна енергія від згоряння палива перетворюється на механічну, що змушує обертатися колінчастий вал.

Коли поршень знаходиться в позиції, близькій до ВМТ, ще в процесі стиснення паливна суміш примусовим чином займається від свічки запалювання двигуна. Паливний заряд згорає дуже швидко. Ще до початку цього такту згорілі гази мають максимальне значення тиску. Ці гази є робочим тілом, стисненим у невеликому обсязі камери згоряння двигуна. Коли поршень почне рухатися вниз, гази починають інтенсивно розширюватися, вивільняючи енергію.

Серед усіх тактів робочого циклу чотирициліндрового двигуна саме цей найкорисніший. Він функціонує на навантаження агрегату. Тільки на цьому етапі колінвал отримує розгінне прискорення. У всіх інших мотор не виробляє енергію, а споживає її від того ж колінчатого валу.

Випуск

Після здійснення газами корисної роботи вони повинні вийти з циліндра, щоб звільнилося місце для нової порції паливно-повітряної суміші. Це останній такт у робочому циклі чотирьохтактного двигуна.

Гази на цьому етапі знаходяться під тиском, що істотно перевищує атмосферне. Температура до кінця такту знижується приблизно до 700 градусів. Коленвал за допомогою шатуна рухає поршень до ВМТ. Далі відкривається випускний клапан, гази виштовхуються в атмосферу через вихлопну систему. Що стосується тиску, то він високий тільки на самому початку. Наприкінці такту воно знижується до 0,120 МПа. Природно, повністю позбутися продуктів згоряння в циліндрі неможливо. Тому вони при наступному такті впуску змішуються з паливною сумішшю.

Порядок роботи

Описані етапи складають робочий цикл чотирьохтактного бензинового двигуна. Потрібно розуміти, що будь-яких суворих відповідності між тактами і процесами в поршневих двигунах немає. Це легко пояснити тим, що при експлуатації силового агрегату фази газорозподільного механізму і те, в якому стані знаходяться клапани, буде накладатися на рухи поршнів в різних моторах абсолютно по-різному.

У будь-якому циліндрі робочий цикл чотирьохтактного карбюраторного двигуна протікає саме таким чином. Кожна камера згоряння в двигуні потрібна для обертання єдиного колінного валу, що сприймає зусилля від поршнів.

Це чергування називають порядком роботи. Такий порядок задається на етапі конструювання силового агрегату через особливості розподільного і колінчастого валів. Він не змінюється в процесі експлуатації механізму.

Реалізація порядку роботи здійснюється чергуванням іскор, які надходять на свічки від системи запалювання. Так, чотирициліндровий мотор може працювати в наступних порядках — 1, 3, 4, 2 і 1, 2, 4, 3.

Дізнатися порядок, в якому працюють циліндри двигуна, можна з інструкції до автомобіля. Іноді порядок роботи вказаний на корпусі блоку.

Ось як протікає робочий цикл чотиритактного карбюраторного двигуна або будь-якого іншого. Система харчування ніяк не впливає на принцип дії агрегату. Різниця лише в тому, що карбюратор — це механічна система харчування, що має певні недоліки, а у випадку з інжекторами цих недоліків у системі немає.

Дизельні мотори

Робочий цикл чотиритактного дизельного двигуна — це така ж послідовність процесів, як і цикл карбюраторного мотора. Різниця полягає в тому, як протікає цикл, а також у відмінностях процесів утворення суміші та займання.

Такт впуску на дизелі

При русі поршню в напрямку вниз газорозподільний механізм відкриває впускний клапан. У камеру згоряння потрапляє певна кількість повітря. Температура в циліндрі при цьому становить приблизно 80 градусів. У дизельних двигунах система харчування значно відрізняється від бензинових карбюраторних моторів. Наприклад, гідравлічний опір у них нижчий, а тиск трохи підвищується.

Такт стиснення в дизельному двигуні

На даному етапі роботи поршень в камері згоряння йде у напрямку вгору до ВМТ. Обидва клапани в двигуні автомобіля перебувають у закритому стані. У результаті роботи поршня повітря в циліндрі стискається. Ступінь стиснення в дизельному двигуні більш висока, ніж у бензинових моторах, а тиск всередині циліндра може досягати 5 МПа. Стиснене повітря суттєво нагрівається. Температури можуть сягати 700 градусів. Це потрібно, щоб спалахнуло паливо. Воно на дизельних моторах подається через форсунки, встановлені на кожному циліндрі. У зимовий час у роботі беруть участь свічки розжарювання. Вони попередньо підігрівають холодну суміш. Таким чином мотор легше запускається в зимовий час. Але така система є не на всіх авто.

Такт розширення газів у дизельному двигуні

Коли поршень дизельного двигуна ще не дійшов до верхньої точки приблизно на 30 градусів по колінвалу, ТНВД через форсунку подає в циліндр паливо під високим тиском. Значення в 18 МПа необхідно, щоб пальне могло тонко розпорошуватися і розподілитися по всьому обсягу в циліндрі.

Далі паливо під дією високих температур займається і швидко згорає. Поршень рухається до нижньої точки. Температура всередині циліндра в цей момент становить близько 2000 градусів. До кінця такту температура знижується.

Випуск у дизельному двигуні

На цьому етапі випускний клапан відкритий, поршень рухається до верхньої точки. З циліндра примусово видаляються продукти згоряння. Далі вони йдуть на випускний колектор. Після цього в роботу включається каталітичний нейтралізатор. Гази, проходячи через нього під високою температурою, очищаються. В атмосферу вже виходить чистий, нешкідливий газ. На дизельних автомобілях додатково встановлено саджовий фільтр. Він також сприяє очищенню газів.

Ув’язнення

Ми детально розібрали, як здійснюється робочий цикл чотирьохтактного двигуна (проходить за два обороти колінчастого валу силової установки). А сам цикл включає в себе багато різних процесів.