Изобретение двигателя внутреннего сгорания и его использование в различных областях, включая автомобили и мототехнику, значительно облегчило жизнь.
Конечно, нынешние двигатели внутреннего сгорания появились не сразу, так как их внешний вид постоянно совершенствуется.
В настоящее время эти двигатели имеют только модернизированные компоненты или другие узлы, но основная идея та же.
Цикл работы двигателя, рабочие такты
Двигатели внутреннего сгорания, как бензиновые, так и дизельные, которые появились давно и используются в настоящее время, можно разделить на два типа
- двухтактный
- Четырехтактный.
Как следует из названия, разница в принципе работы двигателя заключается в количестве ходов, или движений поршня, во время которых поршень совершает определенный цикл.
В четырехтактном двигателе определяются четыре такта, в результате чего поршень совершает весь цикл введения, сжатия, хода и извлечения.
В каждом из этих циклов в цилиндре двигателя происходит определенный процесс. Все они направлены на достижение одной цели — обеспечить преобразование энергии сгорания во вращение коленчатого вала.
По впускному тракту в цилиндр поступает топливная смесь, состоящая из топлива и воздуха, без которой сгорание было бы невозможным. Формирование и впрыск этой смеси различаются в бензиновых и дизельных двигателях.
Затем следует цикл сжатия, во время которого смесь сжимается до определенного объема. Это делается для того, чтобы в меньшем объеме образовалось больше топливной смеси.
Уменьшение объема приводит к более эффективному сгоранию топлива на следующем маршруте.
Этот ход — единственный ход, в котором энергия высвобождается, а не удаляется; все остальные ходы присутствуют.
После сжатия смесь воспламеняется в свече зажигания бензинового двигателя и дизельного двигателя высокого давления между электродами свечи зажигания, и смесь нагревается до температуры воспламенения.
Когда смесь воспламеняется, энергия, действующая на поршень, высвобождается, и поршень движется вниз. Тем временем энергия, выделяемая при сгорании топлива, передается от поршня к коленчатому валу через шатун.
Испарение — это цикл, направленный на очистку продуктов сгорания из полости цилиндра. После очистки этот цикл повторяется снова.
Отсюда следует вывод, что движение поршня в цилиндре за один цикл направлено на достижение одного хода, рабочего хода, тогда как все остальные ходы помогают достижению хода и содержат часть энергии, которая придает ход. Инсульт.
Каждый ход двигателя соответствует определенному движению поршня в цилиндре.
Существуют две крайние точки положения поршня, известные как мертвые зоны.
Один из них — верхний предел, при котором поршень не может двигаться вверх, а другой — нижний предел, при котором поршень не может двигаться вниз.
Эти точки обеспечиваются коленчатым валом, с которым поршень соединен посредством шатуна.
Поршень перемещается из одной точки в другую и наоборот. Это означает, что при движении поршня из нижней точки (ММТ) в верхнюю (TDC) он может совершать два пути — сжатие и выхлоп, а при противоположном направлении движения — впуск и выпуск.
Имея представление о типах двигателей, можно говорить и о типах двигателей, а их два — двухтактный и четырехтактный.
Каждый из этих двигателей имеет свой цикл, что влияет на конструкцию и многие другие параметры и функции.
Конструкция и принцип работы 2-тактного двигателя
Двухтактные двигатели наиболее распространены в малом оборудовании (бензопилы, кусторезы) и мотоциклах.
На грузовики также устанавливались двухтактные дизельные двигатели, например, на МАЗ-200.
Интересно, что вышеперечисленные движения каждого двухтактного двигателя не исчезают, они просто объединяются.
В результате один оборот коленчатого вала сокращает полный цикл.
Таким образом, если поршень движется по НТМТ, то два прохода (выхлоп и сжатие) выполняются одновременно; если поршень движется по ТДК, то выполняются впуск и проход.
Это достигается за счет использования окон в цилиндре, через которые поступает и выходит топливная смесь и удаляются продукты сгорания.
Поршень сам отвечает за открытие и закрытие этих окон. Для обеспечения правильной работы механизма окна располагаются на разных уровнях стенки цилиндра.
Для наглядности рассмотрим двигатель мотоцикла ИЖПланета5.
Мотоцикл приводится в движение одноцилиндровым двухтактным двигателем.
Цилиндр расположен в верхней части корпуса двигателя и имеет воздушное охлаждение с охлаждающими ребрами вокруг него.
С одной стороны цилиндра находится форсунка, соединенная с карбюратором, который подает горючую смесь в цилиндр.
На другой стороне этого отверстия находится выходной патрубок.
В верхней части цилиндра находится головка блока цилиндров, где расположены свечи зажигания.
Поршень находится внутри цилиндра и соединен с коленчатым валом посредством шатуна. Затем он соединяется со сцеплением и коробкой передач, но сейчас это не важно.
Пространство под поршнем также используется для заправки двухтактного двигателя.
Когда поршень движется вверх, в нем создается вакуум, и смесь поступает через впускное отверстие.
Всасывание из камеры под поршнем в камеру гиперпоршня происходит под действием избыточного давления, возникающего в результате движения поршня вниз.
Подача топлива осуществляется через байпасный порт. Продукты сгорания выходят через выхлопное отверстие.
Как это работает?
Начните с движения поршня в TDC. В точке TDC поршень обеспечивает открытие перепускного окна и выпускного окна. Избыточное давление в пространстве под поршнем выталкивает топливную смесь в пространство над поршнем.
При перемещении вверх поршень закрывает открытое окно, и камера сгорания герметизируется.
Когда достигается TDC, поршень сжимает топливную смесь, и искра вырабатывается раскаленной свечой зажигания, установленной на головке цилиндра.
В этот момент движущийся вверх поршень открывает впускное окно, через которое смесь попадает в пространство под поршнем. Другими словами, за один проход происходит два действия: поршень перемещается от TDC до TDC. Сначала вводится топливо, затем компрессия.
После воспламенения топлива высвободившаяся энергия толкает поршень вниз.
Двигаясь вниз по TDC, поршень сначала открывает выпускную дверь. Во время горения продукты сгорания сразу же начинают выходить через это окно, так как количество продуктов сгорания значительно увеличивается.
Это означает, что движение поршня вниз сначала приводит к возникновению пути, а как только открывается выходное окно, возникает и выходной путь.
Далее, по мере движения поршня вниз, открывается перепускное окно, и топливо начинает поступать в пространство над поршнем. Цикл начинает повторяться, только поршень движется сначала вверх, а затем вниз. Это соответствует одному обороту коленчатого вала. Завершите весь цикл.
Принцип работы 4-тактного двигателя
Теперь пришло время запустить четырехтактный двигатель. Возьмем другой одноцилиндровый двигатель мотоцикла, на этот раз Honda CB125E.
Этот двигатель также имеет цилиндр над картером и имеет воздушное охлаждение.
Внутри цилиндра находится поршень, соединенный с коленчатым валом посредством шатуна. Над цилиндром находится головка цилиндра.
Конструктивной особенностью этого двигателя является механизм, обеспечивающий подачу смеси и вывоз продуктов сгорания, т.е. газораспределительный механизм.
Он крепится к головке блока цилиндров двигателя. Суть этого механизма заключается в своевременном открытии впускных и выпускных окон, которые закрываются клапанами.
Все работает в соответствии со следующими принципами В начале — вводный штрих. Чтобы обеспечить это движение, поршень должен быть перемещен вниз от точки TDC. Далее клапан открывает впускное окно, через которое топливо всасывается в цилиндр.
Когда клапан достигает NFT, впускное окно закрывается, поршень начинает двигаться вверх и начинается путь сжатия.
В этом пути оба окна закрываются, цилиндр полностью герметичен, и поршень сжимает впрыснутую ранее топливную смесь при движении вверх.
Когда плунжер достигает TDC, смесь сжимается до максимума и воспламеняется от свечи зажигания.
Под действием избыточного давления зажигания поршень перемещается вниз — происходит удар, и окно остается закрытым.
При достижении НТМ поршень начинает двигаться вверх, в этот момент клапан открывает выпускное отверстие, и поршень выталкивает продукты сгорания.
В результате для впускного тракта и тракта сжатия требуется один оборот коленчатого вала, а для движения и выпуска — другой.
Это были принципы работы двухтактных и четырехтактных двигателей на примере мотоцикла.
Эти принципы используются во всех двигателях внутреннего сгорания, от двигателей авиамоделей до мощных 12-цилиндровых двигателей танков.
Конструктивные особенности
Помимо различий в принципах работы, между этими двигателями существуют и конструктивные различия.
Двухтактные двигатели конструктивно проще. Механизм синхронизации является частью двигателя и усугубляет сложность конструкции.
В двухтактном двигателе сам поршень не имеет такого механизма; он работает как поршень и открывает и закрывает окно.
Кроме того, двигатель не требует системы смазки. Это объясняется тем, что пространство под поршнем, где находится коленчатый вал, также вовлечено в процесс.
Однако, поскольку механизм коленчатого вала требует смазки, этот двигатель смазывается топливом. Это означает, что в топливо добавляется моторное масло, и когда топливо попадает в это пространство, имеющееся масло смазывает механизм.
В четырехтактных двигателях конструкция включает в себя как механизм синхронизации, так и отдельную систему смазки.
Это усложняет конструкцию, но такие двигатели предпочтительнее двухтактных из-за многих проблем с производительностью, связанных с двухтактными двигателями.
Эксплуатационные показатели
Показатели эффективности обсуждаются далее.
Во многих отношениях двухтактные двигатели лучше в этом отношении. Это связано с притоком и оттоком энергии за один оборот.
КПД на литр выше в двухтактных двигателях, поскольку каждый оборот — это полный цикл. Это отношение объема цилиндра к выходной мощности. В среднем, КПД на литр двухтактного двигателя в 1,5 раза выше, чем у четырехтактного.
Еще одним фактором, который делает двухтактные двигатели лучше четырехтактных, является удельная мощность.
Это отношение выходной мощности к массе двигателя.
Хотя при этом теряется мощность, четырехтактные двигатели более экономичны.
Смесь измеряется через впускное окно при закрытом выпускном окне.
В двухтактных двигателях впускное и перепускное окна открыты, а часть топлива выбрасывается через выпускное окно вместе с продуктами сгорания, так что часть топлива не участвует в процессе, в атмосферу.
Четырехтактные двигатели имеют систему смазки, которая обеспечивает смазку всех компонентов, но масло циркулирует в закрытой системе, и потери, в основном из-за износа двигателя, незначительны.
Смазка двухтактных двигателей осуществляется за счет топлива. Это означает, что как только масло выполняет свою функцию, оно попадает в цилиндр, где сгорает.
В отношении надежности конструкции этих двигателей сложилась довольно интересная ситуация.
Конструктивно двухтактные двигатели проще и надежнее. Однако четырехтактные двигатели имеют более полную систему смазки и поэтому имеют более длительный срок службы.
Таким образом, оба двигателя надежны, но по-своему. С точки зрения долговечности двухтактные двигатели являются лучшими.
Совместное смазывание с топливом в двухтактных двигателях также влияет на экологичность двигателя. Сжигание масла приводит к увеличению выбросов.
Перекрывающиеся удары двигателя влияют на уровень шума, он немного тише, чем в четырехтактных двигателях.
Однако отсутствие дополнительных систем и механизмов приводит к созданию более легкого, менее металлического корпуса, что снижает общий вес машины.
Более сложная конструкция четырехтактного агрегата также играет положительную роль.
Системы впрыска топлива и воздуха могут быть интегрированы с раздельным впрыском топлива и воздуха для дальнейшего повышения производительности и экономии топлива.
В двухтактных двигателях усовершенствования ограничиваются смазкой топливом. Однако усилия по улучшению характеристик этих двигателей продолжаются.
Читайте также о двигателях и о том, почему гнутся клапаны.
В целом, оба этих двигателя до сих пор используются, и нет особых причин отказываться от использования одного или другого, поскольку каждый из них имеет свои преимущества, необходимые в определенных условиях.
