Четырехтактный двигатель был впервые продемонстрирован Николаусом Отто в 1876 году и поэтому он также известен как цикл Отто. Технически правильный термин - четырехтактный цикл. Четырехтактные двигателя является наиболее распространенным типом двигателя в настоящее время. Они установлены практически на всех легковых автомобилях и грузовиках.
Четырехтактный двигатель был впервые продемонстрирован Николаусом Отто в 1876 году и поэтому он также известен как цикл Отто. Технически правильный термин - четырехтактный цикл. Четырехтактные двигателя, возможно, является наиболее распространенным типом двигателя в настоящее время. Они установлены на всех легковых автомобилях и грузовиках.
Четыре такта цикла - это впуск, компрессия, расширение и выпуск выхлопных газов. Каждому соответствует один полный ход поршня, поэтому полный цикл требует двух оборотов коленчатого вала.
Такт впуска.
Во время впуска, поршень движется от ВМТ (верхней мертвой точки) вниз к НМТ (нижней мертвой точке), засасывая свежий заряд топливо-воздушной смеси. Изображенный на рисунке двигатель имеет "тарельчатый" впускной клапан, который открывается потоком всасываемого свежего заряда. Некоторые ранние двигатели работали именно таким образом. Однако, в современных двигателях впускной клапан открывается кулачком распределительного клапана.
Такт сжатия.
После достижения НМТ поршень начинает двигаться вверх к ВМТ, давление в цилиндре возрастает, впускной клапан закрывается и происходит сжатие топливо-воздушной смеси.
Такт расширения, или рабочий ход.
Незадолго до конца цикла сжатия топливо-воздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом.
Такт выпуска.
После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, и цикл начинается сначала.
Анимационные рисунки показывают основной принцип работы одного цилиндра четырех-тактного двигателя.
{seyretpic id= 20 align=center}
Паровые двигатели были установлены и приводили в движение большую часть паровозов в период начала 1800 и вплоть до 1950 годов прошлого века. Хочется отметить, что принцип работы этих двигателей всегда оставался неизменным, несмотря на изменение их конструкции и габаритов.
Пар из котла поступает в паровую камеру, из которой через паровую задвижку-клапан (обозначена синим цветом) попадает в верхнюю (переднюю) часть цилиндра. Давление, создаваемое паром, толкает поршень вниз к НМТ. Во время движения поршня от ВМТ к НМТ колесо делает пол оборота.
В самом конце движения поршня к НМТ паровой клапан смещается, выпуская остатки пара через выпускное окно, расположенное ниже клапана. Остатки пара вырываются наружу, создавая характерный для работы паровых двигателей звук.
В то же самое время, смещение клапана на выпуск остатков пара открывает вход пара в нижнюю (заднюю) часть цилиндра. Созданное паром в цилиндре давление заставляет поршень двигаться к ВМТ. В это время колесо делает еще пол оборота.
В конце движения поршня к ВМТ остатки пара освобождаются через все то же выпускное окно. Цикл повторяется заново.
электродвигатель
Вращение вызывается силами магнитного притяжения и отталкивания, действующими между полюсами подвижного электромагнита (ротора) и соответствующими полюсами внешнего магнитного поля, создаваемого неподвижным электромагнитом (или постоянным магнитом) — статором. Сложность заключается в том, чтобы добиться непрерывного вращения двигателя. А для этого надо сделать так, чтобы полюс подвижного электромагнита, притянувшись к противоположному полюсу статора, автоматически менялся на противоположный — тогда ротор не замрет на месте, а повернется дальше — по инерции и под действием возникшего в этот момент отталкивания.
Для автоматического переключения полюсов ротора служит коллектор. Он представляет собой пару закрепленных на валу ротора пластин, к которым подключены обмотки ротора. Ток на эти пластины подается через токоснимающие контакты (щетки). При повороте ротора на 180° пластины меняются местами — это автоматически меняет направление тока и, следовательно, полюсы подвижного электромагнита. Так как одноименные полюсы взаимно отталкиваются, катушка продолжает вращаться, а ее полюсы притягиваются к соответствующим полюсам на другой стороне магнита.
Авиационный двигатель Гнома (Gnome) был один из нескольких популярных роторных двигателей военных самолетов времен Первой Мировой войны. Коленчатый вал этого двигателя крепился к корпусу самолета, в то время как картер и цилиндры вращались вместе с пропеллером.
Двигатель Гнома (Gnome) уникален тем, что его впускные клапана расположены внутри поршня. Работа данного двигателя осуществляется по все известному циклу Отто. В каждой заданной точке каждый цилиндр двигателя находится в различной фазе цикла. На представленном чертеже с зеленым шатуном изображен главный, основной цилиндр.
Преимущества данного двигателя:
Нет необходимости в установке противовесов.
Цилиндры постоянно находятся в движении, что создает хорошее воздушной охлаждения, что позволяет избегать системы жидкостного охлаждения.
Вращающиеся цилиндры и поршни создают вращающийся момент, что позволяет избегать применение маховика.
Недостатки:
Плохое маневрирование самолета из-за большого веса вращающегося двигателя, т.н гироскопический эффект
Плохая сисема смазки, поскольку центробежные силы заставляи смазочное масло скапливать на перефирии двигателя. Масло приходилось смешивть с топливом для обеспечения надлежащего смазывания.
Ракетный двигатель.
Для того, чтобы работать в условиях космоса, ракетные двигатели должны иметь собственный запас кислорода для обеспечения сжигания топлива. Топливо-воздушная смесь впрыскивается в камеру сгорания, где происходит ее постоянное сжигание. Образующийся во время сгорания газ под очень большим давлением высвобождается наружу через сопло, создавая реактивную силу и заставляя ракетный двигатель, а вместе с ним и ракету двигаться в противоположном направлении.
Турбореактивный двигатель (ТРД)
Топливо постоянно сжигается внутри камеры сгорания турбины. Освобождающийся через сопло газ создает реактивную силу.
На выходе из сопла установлены несколко ступеней турбины, закрепленные на общем валу. проходя через лопатки турбин газ приводит их во вращение. Между колесами турбин установлены неподвижные направляющие лопатки, которые придаю определенное направление потоку газа на пути ко следующей ступени (колесу) турбины, что создает более эффективое вращение.
Вместе с турбиной на едином валу в передней части двигателя установлен компрессор, который служит для сжатия и подачи воздуха в камеру сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания — это устройство, в котором химическая энергия топлива превращается в полезную механическую работу.
Несмотря на то, чтоДВСотносятся к относительно несовершенному типутепловых машин (громоздкость, сильный шум, токсичные выбросы и необходимость системы их отвода, относительно небольшой ресурс, необходимостьохлаждения исмазки , высокая сложность в проектировании, изготовлении и обслуживании, сложная система зажигания, большое количество изнашиваемых частей, высокое потребление горючего и т. д.), благодаря своей автономности (используемое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрическиеаккумуляторы ),ДВСочень широко распространены, — например, на транспортеДВС 16-ти клапанный 4-х цилиндровый
Типы ДВС
Поршневой ДВС
Роторный ДВС
Газотурбинный ДВС
Циклы работы поршневых ДВС
Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируются по количеству тактов в рабочем цикле надвухтактныеичетырёхтактные.
Рабочий цикл в поршневых двигателях внутреннего сгорания состоит из пяти процессов: впуска, сжатия, сгорания, расширения и выпуска. В двигателе рабочий цикл может быть осуществлен по следующей широко применяемой схеме:
1. В процессе впуска поршень перемещается отверхней мертвой точки (в.м.т.) книжней мертвой точке (н.м.т.) , а освобождающееся надпоршневое пространство цилиндра заполняется смесью воздуха с топливом. Из-за разности давлений во впускном коллекторе и внутри цилиндра двигателя при открытии впускного клапана смесь поступает (всасывается) в цилиндр в момент времени, называемый углом открытия впускного клапана φ а.
Воздушно-топливная смесь и продукты сгорания (всегда остающиеся в объёме пространства сжатия от предыдущего цикла), смешиваясь между собой, образуют рабочую смесь. Тщательно приготовленная рабочая смесь повышает эффективность сгорания топлива, поэтому её подготовке уделяется большое внимание во всех типах поршневых двигателей.
Количество воздушно-топливной смеси, поступающее в цилиндр за один рабочий цикл, называется свежим зарядом, а продукты сгорания, остающиеся в цилиндре к моменту поступления в него свежего заряда — остаточными газами.
Чтобы повысить эффективность работы двигателя, стремятся увеличить абсолютную величину свежего заряда и его весовую долю в рабочей смеси.
2. В процессе сжатия оба клапана закрыты и поршень, перемещаясь от н.м.т. к в.м.т. и уменьшая объём надпоршневой полости, сжимает рабочую смесь (в общем случае рабочее тело). Сжатие рабочего тела ускоряет процесс сгорания и этим предопределяет возможную полноту использования тепла, выделяющегося при сжигании топлива в цилиндре.
Двигатели внутреннего сгорания строятся с возможно большей степенью сжатия, которая в случаях принудительного зажигания смеси достигает значения 10—12, а при использовании принципа самовоспламенения топлива выбирается в пределах 14—22.
3. В процессе сгорания происходит окисление топлива кислородом воздуха, входящего в состав рабочей смеси, вследствие чего давление в надпоршневой полости резко возрастает.
В рассматриваемой схеме рабочая смесь в нужный момент вблизи в.м.т. поджигается от постороннего источника с помощью электрической искры высокого напряжения (порядка 15 кв). Для подачи искры в цилиндр служит свеча зажигания, которая ввертывается в головку цилиндра.
Для двигателей с воспламенением топлива от тепла, выделяющегося от предварительно сжатого воздуха, запальная свеча не нужна. Такие двигатели снабжаются специальной форсункой, через которую в нужный момент в цилиндр впрыскивается топливо под давлением в 100 ÷ 300 кГ/см² (≈ 10—30 Мн/м²) и более.
4. В процессе расширения раскаленные газы, стремясь расшириться, перемещают поршень от в.м.т. к н.м.т. Совершается рабочий ход поршня, который через шатун передает давление на шатунную шейку коленчатого вала и проворачивает его.
5. В процессе выпуска поршень перемещается от н.м.т. к в.м.т. и через второй открывающийся к этому времени клапан, выталкивает отработавшие газы из цилиндра. Продукты сгорания остаются только в объёме камеры сгорания, откуда их нельзя вытеснить поршнем. Непрерывность работы двигателя обеспечивается последующим повторением рабочих циклов.
Процессы, связанные с подготовкой рабочей смеси к сжиганию её в цилиндре, а также освобождением цилиндра от продуктов сгорания, в одноцилиндровых двигателях осуществляются движением поршня за счёт энергии маховика, которую он накапливает в процессе рабочего хода.
В многоцилиндровых двигателях вспомогательные ходы каждого из цилиндров выполняются за счёт работы других (соседних) цилиндров. Поэтому эти двигатели в принципе могут работать без маховика.
Для удобства изучения рабочий цикл различных двигателей расчленяют на процессы или, наоборот, группируют процессы рабочего цикла с учетом положения поршня относительно мертвых точек в цилиндре. Это позволяет все процессы в поршневых двигателях рассматривать в зависимости от перемещения поршня, что более удобно.
Часть рабочего цикла, осуществляемая в интервале перемещения поршня между двумя смежными мертвыми точками, называется тактом.
Такту, а следовательно, и соответствующему ходу поршня присваивается название процесса, который является основным при данном перемещении поршня между двумя его мертвыми точками (положениями).
В двигателе каждому такту (ходу поршня) соответствуют, например, вполне определённые основные для них процессы: впуск, сжатие, расширение, выпуск. Поэтому в таких двигателях различают такты: впуска, сжатия, расширения и выпуска. Каждое из этих четырёх названий соответственно присваивается ходам поршня.
В любых поршневых двигателях внутреннего сгорания рабочий цикл складывается из рассмотренных выше пяти процессов по разобранной выше схеме за четыре хода поршня или всего за два хода поршня. В соответствии с этим поршневые двигатели подразделяют на двух- и четырёхтактные.
Многие автолюбители и другие люди, далёкие от знаний и понятия того как устроен двигатель автомобиля хотят наглядно увидеть работу мотора и рассмотреть все процессы происходящие внутри. Если вы не студент соответствующих учебных заведений, где в специальных классах и аудиториях размещают макеты двигателей в разрезе и другие учебные материалы, то понять как все же устроен двигатель достаточно сложно. Сухое описание в книжках о том сколько тактов проходит в момент работы двигателя и какой там точки достигает поршень в определенный момент расчитано на людей которые как минимум могут это представить и не настолько далеки от этой темы. Редкие черно-белые картинки в подобной литературе так же не способны пролить свет на этот вопрос. Поэтому представляю вашему вниманию современные гиф анимации на тему работы двигателя изнутри. Визуализация всех процессов поможет вам более глубоко понимать принцип устройства и работы двигателя в вашем автомобиле.
На данной анимации представлен рядный цетырех тактный двигатель с двумя впускными и двумя выпускными клапанами на каждом цилиндре. Первый такт - впуск, в цилиндр поступает горючая смесь приготовленная в карбюраторе и засасываемая в цилиндр по впускному коллектору, когда открываются впускные клапаны. Данная анимация показывает впрыск инжектором, поэтому смесь образуется уже непосредственно в цилиндре. Открываются клапаны, заходит поток воздуха и одновременно впрыскивается топливо. Второй такт - сжатие. В этот момент впускные клапаны закрываются и поршень поднимается вверх по цилиндру сжимая смесь топлива и воздуха в объеме. Третий такт - рабочий ход поршня вниз по цилиндру, вследствии того, что происходит воспламенение горючей смеси после того как свеча зажигания дает искру. От энергии воспламенения, что по сути является маленьким взрывом, поршень отталкивает вниз. Эта волна и заставляет шатуны вращать коленвал и соответственно приводить в движение маховик и передавать вращение на колеса автомобиля. Так работает двигатель. В четвертом такте поршень возвращается вверх по цилиндру, открываются выпускные клапаны и отработанные газы через выпускной коллектор и систему выхлопных газов (глушитель, выхлопную трубу) попадают в атмосферу. Далее такты повторяются и так до тех пор пока не закончится топливо или двигатель не остановят выключением зажигания.
На этой анимации можно видеть как приводятся в движение валы газораспределительного механизма и какое положение занимают поршни в цилиндрах по отношению друг друга во время работы двигателя. Цветами схематически обозначены такты, в соответствии с теми что были присвоены им на первой анимации выше.
Здесь можно видеть как работает трамблер (разносчик искры по цилиндрам, распределитель зажигания) и наблюдать порядок выдачи искры по цилиндрам. В нужный момент бегунок, находяшийся на валу распределителя зажигания передает напряжение к нужному участку крышки трамблера и по высоковольтному кабелю - к нужному цилиндру. Высоковольтный кабель одетый на свечу зажигания, заставляет её работать выдавая искру внутрь цилиндра. Она уже зажигает смесь.
На данной анимации показано как поток воздуха захватывается черех воздухозаборник, проходит через воздушный фильтр и образуя смесь с топливом попадает в цилиндры. Здесь же ниже показана система смазки двигателя, которая обеспечивает работу всех вращаемых узлов двигателя. Маслозаборник расположен в нижней части углубления поддона и при помощи насоса масло поступает вверх по масляным каналам и попадает в необходимые места.
Показана работа инжектора и контроллера определяющего впрыск в необходимый момент.
