Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Как работает двигатель четырехтактный


Четырехтактный двигатель: принцип работы, основные отличия

Четырехтактный двигатель представляет собой поршневой мотор внутреннего сгорания. Рабочий процесс всех цилиндров в этих агрегатах занимает 2 кругооборота коленчатого вала или четыре поршневых такта. С середины ХХ века 4 тактный двигатель — самый распространенный вид поршневых моторов.

Принцип работы и основная характеристика

Рабочий цикл ДВС (двигателя внутреннего сгорания) состоит из ряда процессов, при которых усиливается мощность двигателя, воздействующего на коленчатый вал. Состоит рабочий цикл из нескольких этапов:

  • цилиндр заполняется топливной смесью;
  • смесь сжимается;
  • топливная смесь воспламеняется;
  • газы расширяются и цилиндр очищается.

В ДВС поршень двигается в одном направлении (вниз или вверх). Коленчатый вал совершает один оборот в два такта. Рабочим ходом поршня называют тот, при котором совершается полезная работа, и расширяются сгоревшие газы.

Двухтактными называют двигатели, в которых цикл совершается в один оборот коленчатого вала или за два такта. Четырехтактные агрегаты характеризуются совершением рабочего цикла за два оборота коленвала или за четыре такта.

Основные характерные показатели 4 тактного двигателя:

  1. За счет движения рабочего поршня происходит обмен газов.
  2. Агрегат оснащен газораспределительным механизмом, позволяющим цилиндровую полость переключать на впуск и выпуск.
  3. Происходит обмен газов в момент отдельного полуоборота коленвала.
  4. Шестерные редукторы и ременная цепная передача дают возможность изменить моменты впрыскивания бензина, зажигания и привода газораспределительного механизма по отношению к частоте вращения коленвала.

История

Приблизительно в 1854—1857 годах итальянцами Феличче Матоци и Евгением Барсанти было создано устройство, которое по имеющимся сегодня сведениям было похоже на четырехтактный мотор. Изобретение итальянцев было утеряно и только в 1861 году. Алфоном де Роше был запатентован двигатель такого типа.

Впервые пригодный к работе четырехтактный мотор создал немецкий инженер Николаус Отто. В его честь был назван четырехтактный цикл работы циклом Отто, а 4-тактный мотор, применяющий свечи зажигания, называют двигателем Отто.

Особенности работы 4-х тактного двигателя

В двухтактном моторе смазывание поршневых и цилиндровых пальцев, коленвала, поршня, подшипника и компрессорных колец проводят, заливая масло в бензин. Коленчатый вал 4тактного мотора располагается в масляной ванне, что является существенным отличием. Именно поэтому отсутствует необходимость смешивать топливо и добавлять масло. Все, что необходимо сделать владельцу автомобиля — наполнить бензином топливный бак.

Автовладельцу, таким образом, незачем приобретать специальное масло, без которого не может функционировать двухтактный мотор. Кроме того, при наличии четырехтактного мотора на поршневом зеркале и на стенах глушителя уменьшается количество нагара. Еще одно важное отличие — в двухтактном моторе в выхлопную трубу выплескивается горючая смесь, что обусловлено его устройством.

Следует признать, что у четырехтактных двигателей также имеются небольшие недостатки. Например, у них не особо качественными являются рабочие моменты по регулированию теплового клапанного зазора.

Конструкция агрегата

Распредвал четырехтактного мотора размещается в крышке цилиндра. Он приводится в действие ведущим колесом, вмонтированном в коленчатый вал. Распределительный вал открывает и закрывает один из клапанов: выпускной или впускной, в зависимости от расположения поршня. На распределительном вале также расположены кулачки, которые приводят в действие клапанные коромысла.

Коромысла после срабатывания, начинают воздействовать на определенный клапан и открывают его. Важно, что между регулировочным винтом и клапаном должен быть тепловой зазор (узкий промежуток). При нагреве металл расширяется, поэтому, если зазор слишком маленький или его нет вообще, клапаны не могут закрыть полностью каналы выпуска и впуска.

У клапана впуска зазор должен быть меньше, чем у клапана выпуска, потому как газы выхлопа горячее, чем смесь. Соответственно клапан впуска нагревается меньше, чем клапаны выпуска.

Работа двигателя

Как уже было отмечено работа четырехтактного мотора состоит из четырех тактов поршня или из двух оборотов коленвала.

Этапы работы :

  1. Впуск. Поршень движется в нижнюю сторону, открывая клапан впуска. Из карбюратора горючая смесь поступает в цилиндр. Когда поршень достигает нижнего положения, клапан впуска закрывается.
  2. Сжатие. Поршень движется вверх, провоцируя сживание горючей смеси. Когда он приближается к верхней точке, сжатый бензин возгорается.
  3. Расширение. Бензин возгорается и сгорает. В результате чего происходит растяжение горючих газов, и поршень движется вниз. При этом два клапана оказываются закрытыми.
  4. Выпуск. Коленчатый вал по инерции продолжает двигаться вокруг своей оси, а поршень движется вверх. Вместе с этим открывается клапан выпуска, и выхлопные газы поступают в трубу. При прохождении клапаном мертвой точки, клапан впуска закрывается.

Конструктивные и эксплуатационные отличия четырехтактных двухтактных бензиновых двигателей

Главное отличие четырехтактного двигателя от двухтактного обусловлено разными механизмами газообмена, а именно: удалением отработанных газов и подачей топливно-воздушной смеси в цилиндр.

Процессы заполнения цилиндра и его очистки в четырехтактном двигателе происходят с помощью газораспределительного специального механизма, который в определенное время открывает и закрывает рабочий цикл.

Очистка цилиндра и его заполнение в двухтактном двигателе выполняется в одно время с с расширением и сжатием при нахождении поршня поблизости мертвой нижней точки. В стенках цилиндра для этого имеется два отверстия: продувочное или впускное и выпускное. Через выпускное отверстие поступает топливная смесь, и выходят отработанные газы.

Основные отличия двухтактных и четырехтактных двигателей:

  1. Литровая мощность. В четырехтактном двигателе на два оборота коленчатого вала приходится один рабочий ход. Поэтому теоретически двухтактный двигатель должен иметь литровую мощность вдвое больше, чем четырехтактный. Но на практике превышение составляет около 1,8 раза, благодаря использованию поршня при расширении хода, а также наличия худшего механизма освобождения цилиндра от отработанных газов и больших затрат на продувку части мощности.
  2. Потребление топлива. Двухтактный двигатель превосходит четырехтактный в удельной и литровой мощности, но уступает в экономичности. Отработанные газы вытесняются воздушно — топливной смесью, которая поступает в цилиндр из шатунно-кривошипной камеры. Часть топливной смеси при этом поступает в выхлопные каналы и удаляется с отработанными газами.
  3. У двухтактного и четырехтактного двигателей принцип смазки двигателя существенно отличается. Двухтактные модели характеризуются необходимостью смешивания бензина с моторным маслом в определенных пропорциях. Масляная воздушно-топливная смесь циркулирует в поршневой и кривошипной камерах, смазывая подшипники коленчатого вала и шатуна. Мельчайшие капли масла при возгорании топливной смеси сгорают вместе с бензином. Продукты сгорания уходят вместе с отработанными газами.

Смешивают бензин с маслом двумя способами. Это может быть простое перемешивание, которое проводится перед тем, как залить в бак топливо и раздельная передача. Во втором случае масляно-топливная смесь образуется во впускном патрубке, расположенном между цилиндром и карбюратором.

Двигатель в последнем случае оснащен масляным бачком с трубопроводом, соединенным с плунжерным насосом. Насос подает масло во впускной патрубок в том количестве, которое необходимо. Производительность насоса зависит от того, как расположена ручка подачи «газа». Поступление масла тем больше, чем больше подается топливо. Более совершенной является раздельная система смазки двухтактного двигателя. Отношение бензина к маслу при ней может достигать 200:1. Это приводит к снижению расхода масла и к уменьшению дымности. Такую систему используют, например, на современных скутерах.

В четырехтактных двигателях бензин с маслом не смешивают, а подают отдельно, для чего двигатели имеют классическую систему смазки, которая состоит из фильтра, масляного насоса, трубопроводной магистрали и клапанов. В качестве масляного бачка может выступать картер двигателя (смазка с «мокрым «картером) либо отдельный бачок («сухой» картер).

В первом случае насос всасывает из поддона масло, направляет его во входную полость, а затем по каналам -к деталям шатунно-кривошипной группы, к подшипникам коленвала и газораспределительному механизму.

В случае смазки с «сухим» картером масло заливают в бочок. Оттуда оно при помощи насоса попадает к трущимся поверхностям. Стекающую в картер часть масла откачивают дополнительным насосом и возвращают в бачок.

Для очищения масла от разных продуктов износа двигатель имеет фильтр. Кроме того при необходимости устанавливают охлаждающие фильтра, потому как температура масла в процессе работы может очень сильно подниматься.

Четырехтактный двигатель - Википедия

Четырехтактный цикл, используемый в бензиновых / бензиновых двигателях: впуск (1), компрессия (2), мощность (3) и выхлоп (4). Правая синяя сторона - это впускное отверстие, а левая коричневая сторона - это выпускное отверстие. Стенка цилиндра представляет собой тонкий рукав, окружающий головку поршня, который создает пространство для сгорания топлива и образования механической энергии.

Двигатель с четырехтактным двигателем (также с четырехтактным двигателем ) представляет собой двигатель внутреннего сгорания (IC), в котором поршень совершает четыре отдельных такта при вращении коленчатого вала.Ход означает полное перемещение поршня вдоль цилиндра в любом направлении. Четыре отдельных мазка называются:

  1. Впуск : также известен как всасывание или всасывание. Этот ход поршня начинается в верхней мертвой точке (T.C.) и заканчивается в нижней мертвой точке (B.C.). В этом такте впускной клапан должен находиться в открытом положении, в то время как поршень втягивает топливовоздушную смесь в цилиндр, создавая вакуумное давление в цилиндре посредством его движения вниз.Поршень движется вниз, когда воздух всасывается при движении вниз к поршню.
  2. Сжатие : этот ход начинается в точке с конусом до н.э. или просто в конце хода всасывания и заканчивается в точке т / д В этом такте поршень сжимает топливовоздушную смесь при подготовке к воспламенению во время рабочего такта (ниже). На этом этапе и впускной, и выпускной клапаны закрыты.
  3. Сжигание : также называется мощностью или зажиганием. Это начало второго оборота четырехтактного цикла.В этот момент коленчатый вал завершил полный оборот на 360 градусов. Пока поршень находится на T.D.C. (конец такта сжатия) сжатая воздушно-топливная смесь зажигается свечой зажигания (в бензиновом двигателе) или теплом, генерируемым высокой степенью сжатия (дизельные двигатели), принудительно возвращая поршень в B.D.C. Этот ход производит механическую работу от двигателя для поворота коленчатого вала.
  4. Выхлоп : Также известен как выпуск. Во время хода на выходе поршень снова возвращается из B.Округ Колумбия, округ Колумбия пока выпускной клапан открыт. Это действие удаляет отработанную топливовоздушную смесь через выпускной клапан.

История [править]

цикл Отто [править]

Двигатель Отто производства США 1880-х годов

Николай Август Отто был коммивояжером в продуктовом концерне. В своих путешествиях он столкнулся с двигателем внутреннего сгорания, построенным в Париже бельгийским экспатриантом Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром. В 1860 году Ленуар успешно создал двигатель двойного действия, работающий на освещающем газе с эффективностью 4%.18-литровый двигатель Ленуара производил только 2 лошадиных силы. Двигатель Ленуара работал на осветительном газе из угля, который был разработан в Париже Филиппом Лебоном. [1]

При тестировании точной копии двигателя Ленуара в 1861 году Отто стало известно о влиянии сжатия на заправку топливом. В 1862 году Отто попытался создать двигатель, чтобы улучшить низкую эффективность и надежность двигателя Ленуара. Он попытался создать двигатель, который сжимал бы топливную смесь до воспламенения, но потерпел неудачу, поскольку этот двигатель работал не более, чем за несколько минут до его разрушения.Многие другие инженеры пытались решить проблему, но безуспешно. [1]

В 1864 году Отто и Евгений Ланген основали первую компанию по производству двигателей внутреннего сгорания, NA Otto и Cie (NA Otto and Company). В том же году Отто и Си удалось создать успешный атмосферный двигатель. [1] Заводу не хватило места, и в 1869 году его перевели в город Дойц, Германия, где компания была переименована в Deutz Gasmotorenfabrik AG (компания по производству газовых двигателей Deutz). [1] В 1872 году Готтлиб Даймлер был техническим директором, а Вильгельм Майбах был главой по проектированию двигателей. Даймлер был оружейным мастером, который работал на двигателе Ленуара. К 1876 году Отто и Лангену удалось создать первый двигатель внутреннего сгорания, который сжимал топливную смесь до сгорания с гораздо более высокой эффективностью, чем любой двигатель, созданный к этому времени.

Daimler и Maybach покинули свои рабочие места в Otto и Cie и разработали первый высокоскоростной двигатель Otto в 1883 году.В 1885 году они выпустили первый автомобиль, оснащенный двигателем Отто. В Daimler Reitwagen использовалась система зажигания с горячей трубкой и топливо, известное как Ligroin, чтобы стать первым в мире транспортным средством, приводимым в движение двигателем внутреннего сгорания. Он использовал четырехтактный двигатель, основанный на дизайне Отто. В следующем году Карл Бенц выпустил автомобиль с четырехтактным двигателем, который считается первым автомобилем. [2]

В 1884 году компания Отто, тогда известная как Gasmotorenfabrik Deutz (GFD), разработала электрическое зажигание и карбюратор.В 1890 году Daimler и Maybach создали компанию, известную как Daimler Motoren Gesellschaft. Сегодня эта компания - Daimler-Benz.

цикл Аткинсона [править]

У этого гибридного Toyota Prius 2004 года есть двигатель цикла Аткинсона как бензин-электрический гибридный двигатель

Двигатель с циклом Аткинсона - это тип однотактного двигателя внутреннего сгорания, изобретенного Джеймсом Аткинсоном в 1882 году. Цикл Аткинсона разработан для обеспечения эффективности за счет плотности мощности и используется в некоторых современных гибридных электрических применениях.

Оригинальный поршневой двигатель цикла Аткинсона позволял тактам впуска, сжатия, мощности и выпуска четырехтактного цикла совершаться за один оборот коленчатого вала и был разработан, чтобы не нарушать некоторые патенты, относящиеся к двигателям Отто цикла. [3]

Благодаря уникальной конструкции коленчатого вала Atkinson степень его расширения может отличаться от степени сжатия, а при более высоком такте хода, чем такт сжатия, двигатель может достичь более высокой тепловой эффективности, чем традиционный поршневой двигатель ,Хотя оригинальный дизайн Аткинсона представляет собой не более чем историческое любопытство, многие современные двигатели используют нетрадиционную синхронизацию клапанов для создания эффекта более короткого такта сжатия / более длинного такта, что позволяет реализовать улучшения в экономии топлива, которые может обеспечить цикл Аткинсона. [4]

Дизельный цикл [править]

Audi Diesel R15 в Ле-Мане

Дизельный двигатель - это техническое усовершенствование двигателя Отто цикла 1876 года. Когда Отто понял в 1861 году, что эффективность двигателя можно повысить, сначала сжав топливную смесь до ее воспламенения, Рудольф Дизель хотел разработать более эффективный тип двигателя, который мог бы работать на гораздо более тяжелом топливе.Двигатели Lenoir, Otto Atmospheric и Otto Compression (как 1861, так и 1876) были разработаны для работы на освещающем газе (угольный газ). С той же мотивацией, что и Отто, Дизель хотел создать двигатель, который дал бы небольшим промышленным компаниям собственный источник энергии, чтобы они могли конкурировать с более крупными компаниями, и, как Отто, отойти от требования быть привязанным к муниципальным поставкам топлива. , Как и Отто, потребовалось более десятилетия, чтобы создать двигатель с высокой степенью сжатия, который мог бы самовоспламеняться, распыленный в цилиндр.Дизель использовал воздушный спрей в сочетании с топливом в своем первом двигателе.

Во время первоначальной разработки один из двигателей лопнул, чуть не убив дизель. Он сохраняется, и, наконец, создали успешный двигатель в 1893. с высокой степенью сжатия двигателя, который воспламеняет свое топливо за счет теплоты сжатия, теперь называют дизельный двигатель, независимо от четырехтактного или двухтактного дизайна в.

Четырехтактный дизельный двигатель использовался в большинстве тяжелых условий эксплуатации на протяжении многих десятилетий. Он использует тяжелое топливо, содержащее больше энергии и требующее меньшего количества очистки для производства.Самые эффективные двигатели с циклом Отто работают с тепловой эффективностью около 30%.

Термодинамический анализ [править]

Идеализированная четырехтактная диаграмма p-V цикла Отто: ход впуска (A) выполняется изобарическим расширением, за которым следует ход сжатия (B), выполняемый адиабатическим сжатием. В результате сгорания топлива образуется изохорный процесс, за которым следует адиабатическое расширение, характеризующее ход мощности (C). Цикл замыкается изохорным процессом и изобарическим сжатием, характеризующим такт выпуска (D).

Термодинамический анализ фактических четырехтактных и двухтактных циклов не является простой задачей. Однако анализ можно значительно упростить, если использовать стандартные воздушные предположения [5] . Результирующий цикл, который очень напоминает фактические рабочие условия, является циклом Отто.

При нормальной работе двигателя, когда воздушно-топливная смесь сжимается, создается электрическая искра для зажигания смеси. На низких оборотах это происходит близко к ВМТ (верхняя мертвая точка).По мере того, как обороты двигателя возрастают, скорость фронта пламени не изменяется, поэтому точка зажигания повышается раньше в цикле, чтобы позволить большей доле цикла сгорать заряд до начала рабочего хода. Это преимущество отражено в различных конструкциях двигателей Otto; атмосферный (без сжатия) двигатель работает с КПД 12%, тогда как двигатель со сжатым зарядом имеет КПД около 30%.

Топливные соображения [править]

Проблема с двигателями со сжатым зарядом заключается в том, что повышение температуры сжатого заряда может вызвать предварительное воспламенение.Если это происходит не вовремя и слишком энергично, это может повредить двигатель. Различные фракции нефти имеют различные температуры вспышки (температуры, при которых топливо может самовоспламеняться). Это необходимо учитывать при проектировании двигателя и топлива.

Тенденция к преждевременному воспламенению сжатой топливной смеси ограничена химическим составом топлива. Существует несколько сортов топлива для разных уровней производительности двигателей. Топливо изменяется, чтобы изменить температуру самовоспламенения.Есть несколько способов сделать это. Поскольку двигатели спроектированы с более высокими степенями сжатия, результат состоит в том, что предварительное воспламенение намного более вероятно, поскольку топливная смесь сжимается до более высокой температуры перед преднамеренным воспламенением. Чем выше температура, тем эффективнее испаряется топливо, такое как бензин, что повышает КПД компрессионного двигателя. Более высокие коэффициенты сжатия также означают, что расстояние, которое поршень может протолкнуть для выработки мощности, больше (что называется коэффициентом расширения).

Октановое число данного топлива является мерой сопротивления топлива самовоспламенению. Топливо с более высоким числовым октановым числом обеспечивает более высокую степень сжатия, которая извлекает больше энергии из топлива и более эффективно преобразует эту энергию в полезную работу, в то же время предотвращая повреждение двигателя от предварительного зажигания. Топливо с высоким октановым числом также дороже.

Многие современные четырехтактные двигатели используют бензин с непосредственным впрыском или GDI. В бензиновом двигателе с непосредственным впрыском сопло форсунки выступает в камеру сгорания.Прямой топливный инжектор впрыскивает бензин под очень высоким давлением в цилиндр во время такта сжатия, когда поршень находится ближе к вершине. [6] Использование прямого впрыска топлива значительно снижает пиковую температуру, которая является функцией как времени впрыска, так и количества. [7]

Дизельные двигатели по своей природе не имеют проблем с предварительным зажиганием. Они обеспокоены тем, можно ли начать горение. Описание вероятности воспламенения дизельного топлива называется рейтингом цетана.Поскольку дизельное топливо обладает низкой летучестью, его может быть очень трудно запустить в холодном состоянии. Для запуска холодного дизельного двигателя используются различные методы, наиболее распространенным из которых является использование свечи накаливания.

Принципы проектирования и разработки [править]

Ограничения выходной мощности [править]

Четырехтактный цикл
1 = ВМТ
2 = BDC
A: впуск
B: компрессия
C: мощность
D: выпуск

Максимальная мощность, вырабатываемая двигателем, определяется максимальным количеством поступающего воздуха.Количество энергии, генерируемой поршневым двигателем, зависит от его размера (объема цилиндра), будь то двухтактный двигатель или четырехтактный двигатель, объемного КПД, потерь, отношения воздух-топливо, теплотворной способности топливо, содержание кислорода в воздухе и скорость (об / мин). Скорость в конечном счете ограничена прочностью материала и смазкой. Клапаны, поршни и шатуны испытывают сильные ускорения. При высокой частоте вращения двигателя могут произойти физическая поломка и трепетание поршневого кольца, что приведет к потере мощности или даже разрушению двигателя.Трепет поршневых колец возникает, когда кольца колеблются вертикально в канавках поршней, в которых они находятся. Трепетание колец нарушает уплотнение между кольцом и стенкой цилиндра, что вызывает потерю давления и мощности в цилиндре. Если двигатель вращается слишком быстро, пружины клапана не могут действовать достаточно быстро, чтобы закрыть клапаны. Обычно это называется «поплавком клапана», и это может привести к контакту поршня с клапаном, что серьезно повредит двигатель. На высоких скоростях смазка поверхности стенок поршневого цилиндра имеет тенденцию разрушаться.Это ограничивает скорость поршня для промышленных двигателей до 10 м / с.

Поток через впускной / выпускной порт [править]

Выходная мощность двигателя зависит от способности впускного (топливовоздушная смесь) и выхлопного материала быстро перемещаться через клапанные отверстия, обычно расположенные в головке цилиндров. Чтобы увеличить выходную мощность двигателя, неровности на впускном и выпускном каналах, такие как дефекты отливки, можно устранить, и с помощью стенда потока воздуха радиусы поворотов отверстий клапана и конфигурацию седла клапана можно изменить, чтобы уменьшить сопротивление.Этот процесс называется портированием, и его можно выполнить вручную или с помощью станка с ЧПУ.

Утилизация тепла двигателя внутреннего сгорания [править]

Двигатель внутреннего сгорания в среднем способен преобразовывать только 40-45% поступающей энергии в механическую работу. Большая часть ненужной энергии находится в форме тепла, которое выделяется в окружающую среду через охлаждающую жидкость, ребра и т. Д. Если бы мы могли каким-то образом восстановить использованное тепло, мы могли бы улучшить работу двигателя. Было обнаружено, что даже если 6% полностью потерянного тепла будет восстановлено, это может значительно повысить эффективность двигателя. [8]

Было разработано много методов для извлечения отработанного тепла из выхлопных газов двигателя и дальнейшего его использования для извлечения некоторой полезной работы, одновременно уменьшая количество загрязняющих веществ в выхлопных газах. Использование цикла Ранкина, турбонаддува и термоэлектрической генерации может быть очень полезным в качестве системы рекуперации отработанного тепла.

Хотя эти системы используются чаще, некоторые проблемы, такие как их низкая эффективность при более низких скоростях подачи тепла и большие потери при перекачке, остаются проблемой. [ цитирование необходимо ]

Наддув [править]

Одним из способов увеличения мощности двигателя является нагнетание большего количества воздуха в цилиндр, чтобы можно было получать больше энергии за каждый рабочий ход. Это может быть сделано с использованием какого-либо типа устройства для сжатия воздуха, известного как нагнетатель, который может приводиться в действие коленчатым валом двигателя.

Наддув увеличивает пределы выходной мощности двигателя внутреннего сгорания относительно его рабочего объема. Чаще всего нагнетатель всегда работает, но были конструкции, позволяющие отключать его или работать с различными скоростями (относительно частоты вращения двигателя).Недостаток механического привода заключается в том, что часть выходной мощности используется для привода нагнетателя, в то время как мощность расходуется в выхлопе высокого давления, так как воздух сжимается дважды, а затем получает больший потенциальный объем при сгорании, но только расширяется в один этап.

Турбокомпрессор [править]

Турбокомпрессор - это нагнетатель, который приводится в движение выхлопными газами двигателя посредством турбины. Турбокомпрессор встроен в выхлопную систему транспортного средства, чтобы использовать вытесненный выхлоп.Он состоит из двух частей высокоскоростной турбины в сборе, одна сторона которой сжимает всасываемый воздух, а другая сторона питается отработавшим газом.

При работе на холостом ходу и на низких и средних скоростях турбина вырабатывает мало энергии из-за небольшого объема выхлопных газов, турбонагнетатель не оказывает значительного влияния, и двигатель работает почти безнаддувным образом. Когда требуется намного большая выходная мощность, частота вращения двигателя и открытие дросселя увеличиваются до тех пор, пока выхлопные газы не станут достаточными для «образования катушек» турбины турбокомпрессора, чтобы начать сжимать намного больше воздуха, чем обычно, во впускной коллектор.Таким образом, дополнительная мощность (и скорость) отводится через функцию этой турбины.

Турбокомпрессор обеспечивает более эффективную работу двигателя, поскольку он приводится в действие давлением выхлопа, которое в противном случае (в основном) было бы потрачено впустую, но существует ограничение конструкции, известное как турбо-запаздывание. Увеличенная мощность двигателя не доступна сразу из-за необходимости резко увеличить обороты двигателя, для создания давления и ускорения турбины, прежде чем турбина начнет делать какое-либо полезное сжатие воздуха. Увеличенный объем впуска вызывает увеличение выхлопа и ускоряет вращение турбины, и так далее, пока не будет достигнута стабильная работа на высокой мощности.Другая трудность состоит в том, что более высокое давление выхлопных газов заставляет выхлопной газ передавать больше своего тепла механическим частям двигателя.

Соотношение штока и поршня к ходу [править]

Отношение шатуна к ходу - это отношение длины шатуна к длине хода поршня. Удлиненный шток уменьшает боковое давление поршня на стенку цилиндра и силы напряжения, увеличивая срок службы двигателя. Это также увеличивает стоимость и высоту двигателя и вес.

«Квадратный двигатель» - это двигатель с диаметром отверстия, равным его длине хода.Двигатель, у которого диаметр отверстия больше, чем длина его хода, является двигателем с перекрёстным квадратом, и наоборот, двигатель с диаметром отверстия, меньшим, чем длина его хода, является двигателем с квадратом.

Клапанный поезд [править]

Клапаны обычно приводятся в действие распределительным валом, вращающимся с половиной скорости вращения коленчатого вала. Он имеет ряд кулачков вдоль своей длины, каждый из которых предназначен для открытия клапана во время соответствующей части такта впуска или выпуска. Толкатель между клапаном и кулачком является контактной поверхностью, по которой кулачок скользит, открывая клапан.Многие двигатели используют один или несколько распределительных валов «над» рядом (или каждым рядом) цилиндров, как на иллюстрации, в которой каждый кулачок непосредственно приводит в действие клапан через плоский толкатель. В других конструкциях двигателя распределительный вал находится в картере двигателя, и в этом случае каждый кулачок обычно контактирует с толкателем, который контактирует с рычагом коромысла, открывающим клапан, или в случае двигателя с плоской головкой толкатель не требуется. Конструкция подвесного кулачка обычно обеспечивает более высокие обороты двигателя, поскольку обеспечивает наиболее прямой путь между кулачком и клапаном.

Зазор клапана [править]

Зазор клапана - это небольшой зазор между толкателем клапана и штоком клапана, который обеспечивает полное закрытие клапана. На двигателях с механической регулировкой клапана чрезмерный зазор вызывает шум от системы клапанов. Слишком маленький зазор может привести к неправильному закрытию клапанов. Это приводит к потере производительности и, возможно, перегреву выпускных клапанов. Как правило, зазор должен быть перенастроен каждые 20 000 миль (32 000 км) с помощью щупа.

Большинство современных серийных двигателей используют гидравлические подъемники для автоматической компенсации износа компонентов клапанной системы. Грязное моторное масло может привести к поломке подъемника.

Энергетический баланс [править]

Двигатели

Otto работают примерно на 30%. иными словами, 30% энергии, генерируемой при сгорании, преобразуется в полезную энергию вращения на выходном валу двигателя, а остальная часть - потери из-за отработанного тепла, трения и принадлежностей двигателя. [9] Есть несколько способов восстановить часть энергии, потерянной для потери тепла.Использование турбонагнетателя в дизельных двигателях очень эффективно за счет повышения давления поступающего воздуха и, по сути, обеспечивает такое же увеличение производительности, что и увеличение рабочего объема. Компания Mack Truck десятилетия назад разработала систему турбины, которая преобразовывала отработанное тепло в кинетическую энергию, которую она возвращала в трансмиссию двигателя. В 2005 году BMW объявила о разработке турбостимера, двухступенчатой ​​системы рекуперации тепла, аналогичной системе Mack, которая восстанавливает 80% энергии в выхлопных газах и повышает эффективность двигателя Отто на 15%. [10] В отличие от этого, шеститактный двигатель может снизить расход топлива на 40%.

Современные двигатели часто намеренно создаются, чтобы быть немного менее эффективными, чем они могли бы быть в противном случае. Это необходимо для контроля выбросов, таких как рециркуляция отработавших газов и каталитические нейтрализаторы, которые уменьшают смог и другие атмосферные загрязнители. Снижение эффективности может быть нейтрализовано с помощью блока управления двигателем с использованием методов бережливого горения. [11]

В Соединенных Штатах средняя экономия топлива на предприятии требует, чтобы транспортные средства в среднем достигали 34.9 миль на галлон ‑US (6,7 л / 100 км; 41,9 миль на галлон ‑imp ) по сравнению с текущим стандартом 25 миль на галлон ‑US (9,4 л / 100 км; 30,0 миль на галлон ‑imp ). [12] Поскольку автопроизводители надеются соответствовать этим стандартам к 2016 году, необходимо рассмотреть новые способы разработки традиционного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Некоторые потенциальные решения для повышения эффективности использования топлива для удовлетворения новых требований включают запуск после того, как поршень находится дальше всего от коленчатого вала, известного как верхняя мертвая точка, и применение цикла Миллера. "Экономия топлива". США: Национальное управление безопасности дорожного движения (НАБДД). Получено 11 апреля 2016 г.

Общие источники [править]

  • Харденберг, Хорст О. (1999). Средние века Двигатель внутреннего сгорания . Общество Автомобильных Инженеров (SAE). ISBN 978-0-7680-0391-8 .
  • scienceworld.wolfram.com/physics/OttoCycle.html
  • Cengel, Yunus A; Майкл Болес; Yaling He (2009). Термодинамика Инженерный подход. Н.П. . Макгроу Хилл Компании. ISBN 978-7-121-08478-2 .
  • Бенсон, Том (11 июля 2008 г.). «4-х тактный двигатель внутреннего сгорания». п. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. Получено 5 мая 2011 г.

Внешние ссылки [редактировать]

,

Как работает 4-х тактный двигатель

Для питания вашего оборудования двигатель с верхним расположением клапанов выполняет повторяющийся четырехэтапный процесс, подробно описанный ниже.

Элемент, который позволяет двигателям внутреннего сгорания работать

  • Air
  • Топливо
  • Сжатие
  • Spark

Шаг 1: Ход впуска

Воздух и топливо поступают в небольшой двигатель через карбюратор. Задачей карбюратора является подача смеси воздуха и топлива, которая обеспечит правильное сгорание.Во время такта впуска открывается впускной клапан между карбюратором и камерой сгорания. Это позволяет атмосферному давлению нагнетать топливовоздушную смесь в отверстие цилиндра при движении поршня вниз.

>> Проблемы с производительностью? Узнайте, как устранить неполадки при ремонте карбюратора и очистить / отремонтировать небольшой карбюратор двигателя.

Шаг 2: Ход сжатия

Сразу после того, как поршень перемещается к нижней части своего хода (нижней мертвой точке), в отверстии цилиндра находится максимально возможная воздушно-топливная смесь.Впускной клапан закрывается, и поршень возвращается обратно в отверстие цилиндра. Это называется такта сжатия процесса 4-тактного двигателя. Воздушно-топливная смесь сжимается между поршнем и головкой цилиндров.

Шаг 3: Инсульт

Когда поршень достигнет вершины своего хода (верхней мертвой точки), он будет в оптимальной точке, чтобы зажечь топливо, чтобы максимизировать мощность вашего наружного силового оборудования. В катушке зажигания создается очень высокое напряжение.Свеча зажигания позволяет отводить это высокое напряжение в камеру сгорания. Тепло, создаваемое искрой, зажигает газы, создавая быстро расширяющиеся, перегретые газы, которые заставляют поршень возвращаться в отверстие цилиндра. Это называется силовым ходом .

Шаг 4: Ход выхлопного газа

Когда поршень снова достигает нижней мертвой точки, открывается выпускной клапан. Когда поршень движется обратно вверх по отверстию цилиндра, он вытесняет отработавшие газы сгорания через выпускной клапан и из систем выпуска.Когда поршень возвращается в верхнюю мертвую точку, выпускной клапан закрывается, и впускной клапан открывается, и процесс четырехтактного двигателя повторяется.

При каждом повторении цикла требуется два полных оборота коленчатого вала, в то время как двигатель создает мощность только во время одного из четырех тактов. Для поддержания работоспособности машины требуется небольшой маховик двигателя. Рабочий ход создает импульс, который толкает инерцию маховика, удерживая его, и коленчатый вал вращается во время тактов выпуска, впуска и сжатия.

,

Четырехтактный двигатель - Energy Education

Рисунок 1. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. 1: впрыск топлива, 2: зажигание, 3: расширение (работа выполнена), 4: выхлоп. [1]

Четырехтактный двигатель является наиболее распространенным типом двигателей внутреннего сгорания и используется в различных автомобилях (которые специально используют бензин в качестве топлива), таких как автомобили, грузовики и некоторые мотоциклы (многие мотоциклы используют двухтактный двигатель). Четырехтактный двигатель обеспечивает один рабочий ход на каждые два цикла поршня (или четыре хода поршня).Справа (рис. 1) изображен четырехтактный двигатель, а дальнейшее объяснение этого процесса приведено ниже.

  1. Ход впуска: Поршень движется вниз ко дну, это увеличивает объем, позволяя топливно-воздушной смеси проникать в камеру.
  2. Ход сжатия: Впускной клапан закрыт, и поршень движется вверх по камере вверх. Это сжимает топливовоздушную смесь. В конце этого хода свеча зажигания обеспечивает сжатое топливо энергией активации, необходимой для начала сгорания.
  3. Рабочий ход: Когда топливо достигает конца своего сгорания, тепло, выделяемое при сжигании углеводородов, увеличивает давление, которое заставляет газ давить на поршень и создавать выходную мощность.
  4. Ход выпуска: Когда поршень достигает дна, выпускной клапан открывается. Оставшийся выхлопной газ выталкивается поршнем, когда он движется назад вверх.


Тепловая эффективность этих бензиновых двигателей будет варьироваться в зависимости от модели и конструкции автомобиля.Однако в целом бензиновые двигатели преобразуют 20% топлива (химическая энергия) в механическую энергию, при которой только 15% будет использоваться для перемещения колес (остальное теряется на трение и другие механические элементы). [2] Одним из способов повышения термодинамической эффективности двигателей является более высокая степень сжатия. Это соотношение представляет собой разницу между минимальным и максимальным объемом в камере двигателя (обозначено как ВМТ и BDC на рисунке 2). Более высокое отношение позволит более крупной топливно-воздушной смеси поступать, вызывая более высокое давление, приводя к более горячей камере, которая увеличивает тепловой КПД. [2]

Цикл Отто

Рисунок 2. Реальный процесс отто цикла, который происходит в четырехтактном двигателе. [3] Рисунок 3. Идеальный цикл Отто. [4]

Диаграмма объема давления (PV-диаграмма), которая моделирует изменения в топливно-воздушной смеси, испытывающие давление и объем в четырехтактном двигателе, называется циклом Отто. Изменения в них будут создавать тепло и использовать это тепло для перемещения автомобиля или машины (отсюда и причина того, что это тип теплового двигателя).Цикл Отто можно увидеть на рисунке 2 (реальный цикл Отто) и на рисунке 3 (идеальный цикл Отто). Компонент любого двигателя, использующего этот цикл, будет иметь поршень для изменения объема и давления топливовоздушной смеси (как показано на рисунке 1). Поршень получает движение от сгорания топлива (где это происходит, поясняется ниже) и от электрического наддува при запуске двигателя.

Далее описывается, что происходит во время каждого шага на PV-диаграмме, в которой сгорание рабочей жидкости - бензина и воздуха (кислорода), а иногда и электричества изменяет движение поршня:

Реальный цикл с 0 по 1 (идеальный цикл - зеленая линия): Упоминаемый как фаза впуска , поршень опускается вниз, чтобы увеличить объем в камере, чтобы он мог «впускать». топливно-воздушная смесь.С точки зрения термодинамики это называется изобарным процессом.


Процесс 1 до 2: На этом этапе поршень будет вытянут, чтобы он мог сжимать топливно-воздушную смесь, поступившую в камеру. Сжатие приводит к небольшому увеличению давления и температуры смеси, однако теплообмен не происходит. С точки зрения термодинамики это называется адиабатическим процессом. Когда цикл достигает точки 2, зажигание зажигания происходит при попадании топлива в свечу зажигания.


Процесс 2–3: Это место, где происходит сгорание из-за воспламенения топлива от свечи зажигания. Сгорание газа завершается в точке 3, в результате чего камера с высоким давлением имеет большое количество тепла (тепловой энергии). С точки зрения термодинамики это называется изохорным процессом.

Процесс с 3 по 4: Тепловая энергия в камере в результате сгорания используется для работы с поршнем, который толкает поршень вниз, увеличивая объем камеры.Это также известно как силовой сток , потому что это когда тепловая энергия превращается в движение для питания машины или транспортного средства.


Фиолетовая линия (процессы 4 к 1 и , выпуск , фаза): В процессе 4 к 1 открывается выпускной клапан, и все отработанное тепло выводится из камеры двигателя. Когда тепло покидает газ, молекулы теряют кинетическую энергию, вызывая снижение давления. [5] Затем фаза выпуска (этапы с 0 по 1) происходит, когда оставшаяся смесь в камере сжимается поршнем, чтобы «истощиться» без изменения давления.

для дальнейшего чтения

Список литературы

  1. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/4StrokeEngine_Ortho_3D_Small.gif
  2. 2.0 2.1 Р. Вольфсон, Энергетика, окружающая среда и климат. Нью-Йорк: W.W. Нортон и Компания, 2012, с. 106.
  3. ↑ Фактический и идеальный цикл Отто - Ядерная энергетика ", Nuclear Power, 2018. [Online]. Доступно: https://www.nuclear-power.net/nuclear-engineering/thermodynamics/thermodynamic-cycles/otto-cycle-otto -движок / фактические и-идеальный цикл Отто /.[Доступ: 22 июня 2018 года].
  4. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: https://en.wikipedia.org/wiki/Otto_cycle#/media/File:P-V_Otto_cycle.svg
  5. ↑ I. Dinçer и C. Zamfirescu, Усовершенствованные системы производства электроэнергии. Лондон, Великобритания: Academic Press является отпечатком Elsevier, 2014, с. 266.
,

Смотрите также


avtovalik.ru © 2013-2020
Карта сайта, XML.