Что такое шаг двигателя внутреннего сгорания

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Современный автомобиль, чаще всего, приводится в движение двигателем внутреннего сгорания. Таких двигателей существует огромное множество. Различаются они объемом, количеством цилиндров, мощностью, скоростью вращения, используемым топливом (дизельные, бензиновые и газовые ДВС). Но, принципиально, устройство двигателя внутреннего сгорания, похоже.

Как работает двигатель и почему называется четырехтактным двигателем внутреннего сгорания? Про внутреннее сгорание понятно. Внутри двигателя сгорает топливо. А почему 4 такта двигателя, что это такое? Действительно, бывают и двухтактные двигатели. Но на автомобилях они используются крайне редко.

Четырехтактным двигатель называется из-за того, что его работу можно разделить на четыре, равные по времени, части . Поршень четыре раза пройдет по цилиндру – два раза вверх и два раза вниз. Такт начинается при нахождении поршня в крайней нижней или верхней точке. У автомобилистов-механиков это называется верхняя мертвая точка (ВМТ) и нижняя мертвая точка (НМТ) .

Первый такт — такт впуска

Первый такт, он же впускной, начинается с ВМТ (верхней мертвой точки). Двигаясь вниз, поршень всасывает в цилиндр топливовоздушную смесь . Работа этого такта происходит при открытом клапане впуска . Кстати, существует много двигателей с несколькими впускными клапанами. Их количество, размер, время нахождения в открытом состоянии может существенно повлиять на мощность двигателя. Есть двигатели, в которых, в зависимости от нажатия на педаль газа, происходит принудительное увеличение времени нахождения впускных клапанов в открытом состоянии. Это сделано для увеличения количества всасываемого топлива, которое, после возгорания, увеличивает мощность двигателя. Автомобиль, в этом случае, может гораздо быстрее ускориться.

Второй такт — такт сжатия

Следующий такт работы двигателя – такт сжатия . После того как поршень достиг нижней точки, он начинает подниматься вверх, тем самым, сжимая смесь, которая попала в цилиндр в такт впуска. Топливная смесь сжимается до объемов камеры сгорания. Что это за такая камера? Свободное пространство между верхней частью поршня и верхней частью цилиндра при нахождении поршня в верхней мертвой точке называется камерой сгорания. Клапаны, в этот такт работы двигателя закрыты полностью. Чем плотнее они закрыты, тем сжатие происходит качественнее. Большое значение имеет, в данном случае, состояние поршня, цилиндра, поршневых колец. Если имеются большие зазоры, то хорошего сжатия не получится, а соответственно, мощность такого двигателя будет гораздо ниже. Компрессию можно проверить специальным прибором. По величине компрессии можно сделать вывод о степени износа двигателя.

Третий такт — рабочий ход

Третий такт – рабочий , начинается с ВМТ. Рабочим он называется неслучайно. Ведь именно в этом такте происходит действие, заставляющее автомобиль двигаться. В этом такте в работу вступает система зажигания. Почему эта система так называется? Да потому, что она отвечает за поджигание топливной смеси, сжатой в цилиндре, в камере сгорания. Работает это очень просто – свеча системы дает искру. Справедливости ради, стоит заметить, что искра выдается на свече зажигания за несколько градусов до достижения поршнем верхней точки. Эти градусы, в современном двигателе, регулируются автоматически «мозгами» автомобиля.

После того как топливо загорится, происходит взрыв – оно резко увеличивается в объеме, заставляя поршень двигаться вниз . Клапаны в этом такте работы двигателя, как и в предыдущем, находятся в закрытом состоянии.

Четвертый такт — такт выпуска

Четвертый такт работы двигателя, последний – выпускной . Достигнув нижней точки, после рабочего такта, в двигателе начинает открываться выпускной клапан . Таких клапанов, как и впускных, может быть несколько. Двигаясь вверх, поршень через этот клапан удаляет отработавшие газы из цилиндра – вентилирует его. От четкой работы клапанов зависит степень сжатия в цилиндрах, полное удаление отработанных газов и необходимое количество всасываемой топливно-воздушной смеси.

После четвертого такта наступает черед первого. Процесс повторяется циклически . А за счет чего происходит вращение – работа двигателя внутреннего сгорания все 4 такта, что заставляет поршень подниматься и опускаться в тактах сжатия, выпуска и впуска? Дело в том, что не вся энергия, получаемая в рабочем такте, направляется на движение автомобиля. Часть энергии идет на раскручивание маховика. А он, под действием инерции, крутит коленчатый вал двигателя, перемещая поршень в период «нерабочих» тактов.

РЕКОМЕНДУЕМ ТАКЖЕ ПРОЧИТАТЬ:

Motorhelp.ru диагностика и ремонт двигателя

• Инжектор-СервисДиагностика и ремонт инжекторных двигателейЧип-тюнингПромывка инжектора

• 0
• 1
• 2
• 3
• 4
• 5

Основы теории двигателя внутреннего сгорания. Часть 1

Основные понятия и сокращения
Дроссельная заслонка (ДС) – металлическая пластина, жестко соединенная с педалью «газа». При нажатии педали она открывается и в карбюратор или во входной коллектор системы впрыска засасывается больше воздуха, вызывая увеличение оборотов коленчатого вала двигателя.
Топливно-воздушная смесь (ТВС) или горючая смесь – смесь бензина с воздухом приготовляемая карбюратором или системами впрыска, и подаваемая в предклапанную зону Двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Рабочая смесь – смесь ТВС с остаточными газами, которая поджигается свечами зажигания и сгорает в камере сгорания двигателя, приводя в движение поршни и коленчатый вал.
Угол поворота коленчатого вала (УПКВ) – поскольку скорость вращения коленчатого вала изменяется в зависимости от скорости автомобиля, то и длительность процессов, происходящих в работающем двигателе тоже непостоянна и зависит от скорости вращения коленчатого вала. В связи с этим величиной однозначно характеризующей длительность отдельных этапов работы ДВС является УПКВ. Например, полный цикл работы четырехтактного ДВС составляет два оборота коленчатого вала, или 720º УПКВ.
Угол опережения зажигания (УОЗ) – один из основных параметров работы двигателя. Дело в том, что время горения рабочей смеси величина вообще говоря постоянная. Конечно она изменяется в зависимости от качества топлива, характеристик ТВС, температуры, формы и размеров КС и др., но для конкретного двигателя с исправной системой питания она является почти константой. Но так как скорость вращения коленвала постоянно меняется, то и угол опережения зажигания необходимо постоянно подстраивать так, чтобы воспламенение смеси происходило в тот момент, когда поршень находится близко к верху цилиндра (верхней мертвой точке ВМТ). Если же угол опережения зажигания выставлен неправильно, то возможны два случая:
— если УОЗ мал, то максимальная энергия горения выделяется в тот момент, когда поршень еще не дошел до ВМТ и энергия тратится не на разгон двигателя, а на его торможение. При этом металл камеры сгорания (КС) и клапанов сильно разогреваются, и возникает явление детонации в цилиндрах;
— если УОЗ слишком велик, то максимальная энергия горения выделяется в тот момент, когда поршень уже прошел ВМТ и под действием инерции маховика идет назад. При этом энергия горения рабочей смеси воздействует на поршень не все время рабочего хода, а только его часть, что значительно снижает мощность двигателя и приводит к перерасходу топлива.
Для обеспечения максимальной мощности ДВС необходимо, чтобы УОЗ был бы как можно меньше, но при этом его значение не переходило ту грань, за которой начинается детонация. Поэтому значение УОЗ выражается формулой , где – установочный угол опережения зажигания, – поправка УОЗ.
Установочный УОЗ определяется по характеристикам двигателя и выставляется или корректируется вручную при установке зажигания. Поправка УОЗ многофункциональна. Она зависит от частоты вращения коленчатого вала, температуры охлаждающей жидкости, качества топлива и т.д.
Подробнее про УОЗ здесь.
Детонация – взрывное воспламенение рабочей смеси и ее сгорание со скоростью значительно превышающей обычную скорость сгорания. Сопровождается характерным металлическим стуком и перегревом двигателя. Может привести к повреждению поршней, зеркала цилиндра, клапанов и свечей зажигания.
Электронный блок управления двигателем ЭБУ – предназначен для управления работой ДВС путем анализа информации получаемой от различных датчиков, расположенных в разных местах двигателя, и управления его работой с помощью исполнительных устройств. Главные параметры, с помощью которых ЭБУ воздействует на ДВС, это изменение угла опережения зажигания и количество впрыснутого топлива (качество горючей смеси).
Рабочий цикл двигателя
Рабочим циклом двигателя называется совокупность процессов, периодически повторяющихся в определенной последовательности – «впуск», «сжатие», «рабочий ход», «выпуск».
Объем, освобождаемый поршнем при движении от верхней мертвой точки ВМТ к нижней мертвой точке НМТ, называется рабочим объемом цилиндра. Суммарный рабочий объем всех цилиндров называется литражом двигателя. Объем над поршнем в ВМТ называется объемом камеры сгорания КС. Отношение полного рабочего объема к объему КС называется степенью сжатия. Характеристики работы блока цилиндров представлены в таблице 1.
Моменты открытия и закрытия клапанов, выражаемые в углах поворота коленчатого вала УПКВ, называется фазами газораспределения. Момент, когда открыты оба клапана, называется углом перекрытия клапанов в районе ВМТ. Сжатие необходимо для создания оптимальных условий горения, для увеличения температуры перепада цикла, для увеличения КПД ДВС.

Таблица 1. Характеристики работы блока цилиндров

Процесс сгорания топлива
І. Момент подачи искры – угол задержки зажигания. Период задержки воспламенения 4…6º УПКВ зависит от химического состава топлива и состава ТВС. При увеличении этого времени ухудшается стабильность воспламенения. На этот период влияет состав ТВС, степень сжатия, количество остаточных газов, обороты, нагрузка, энергия искры.
II. Период эффективного горения – 20…30º УПКВ – зависит от состава ТВС, угла опережения зажигания, нагрузки, степени сжатия, формы КС, скорости завихрения потока, степенью нарастания давления. Если Р25º УПКВ, то горение идет медленно.
III. Период догорания – на процесс горения влияют скорость распространения фронта пламени. Она зависит от состава смеси, степени сжатия, угла опережения зажигания, формы камеры сгорания, место расположения свечи, степени завихрения потока. При обогащении смеси скорость фронта пламени падает из-за неполного сгорания, при обеднении скорость падает из-за дополнительных затрат теплоты на нагревание избыточного воздуха.

Начальная температура воспламенения топливно-воздушной смеси (ТВС)
При увеличении температуры ТВС увеличивается скорость распространения фронта пламени за счет увеличения скорости химических реакций.
За счет увеличения степени сжатия увеличивается одновременно температура и давление ТВС и снижается количество остаточных газов, что увеличивает скорость распространения пламени.
Форма КС влияет на длину фронта пламени и на теплообмен. Чем меньше отношение площади КС к ее объему, тем меньше потери тепла, следовательно, скорость распространения фронта пламени выше.
Угол опережения зажигания должен обеспечить окончание сгорания вблизи ВМТ (10…15º УПКВ), поэтому момент воспламенения смеси должен меняться в зависимости от состава ТВС и нагрузки. При увеличении оборотов двигателя угол опережения зажигания увеличивается.

Основная характеристика ТВС
Расчет состава смеси базируется на соблюдении стехиометрического соотношения количества топлива и воздуха: на один килограмм бензина требуется 14,7 кг воздуха. Коэффициент избытка воздуха равен:

где – количество воздуха, поступившее во впускной коллектор
λ>1 – обедненная смесь
λ Вернуться Комментариев: 0

1.2. Устройство и основные параметры двигателя

Поршневой двигатель внутреннего сгорания состоит из следующих механизмов и систем:

• кривошипно-шатунный механизм (КШМ);
• газораспределительный механизм (ГРМ);
• система охлаждения;
• смазочная система;
• система питания;
• система зажигания (в карбюраторном двигателе);
• система электрического пуска двигателя.

В поршневом ДВС (рис. 1) преобразование энергии происходит в замкнутом объеме, который образован цилиндром, крышкой (головкой) цилиндра и поршнем. В карбюраторном двигателе горючая смесь вводится в цилиндр через впускной клапан, смешиваясь с остатками отработавших газов — образует рабочую смесь, которая сжимается поршнем и воспламеняется. Образовавшиеся при сгорании газы перемещают поршень, который через шатун передает усилие на кривошип коленчатого вала, поворачивая его вокруг оси. Отработавшие газы вытесняются при обратном движении поршня через выпускной клапан. Таким образом, тепловая энергия преобразуется в механическую, а возвратно-поступательное движение — во вращательное как наиболее удобный для трансформации вид движения.

Рис. 1.
Схема четырехтактного одноцилиндрового карбюраторного двигателя:
1 — распределительный вал; 2 — толкатель; 3 — цилиндр; 4 — поршень; 5 — штанга; 6 — впускной клапан; 7 — коромысло; 8 — свеча зажигания; 9 — выпускной клапан; 10 — поршневые кольца; 11 — шатун; 12 — коленчатый вал; 13 — поддон

При вращении коленчатого вала поршень дважды за один оборот останавливается и меняет направление движения.

Основные параметры двигателей

Верхняя мертвая точка (ВМТ) — крайнее верхнее положение поршня (рис. 2).

Нижняя мертвая точка (НМТ) — крайнее нижнее положение поршня. Радиус кривошипа — расстояние от оси коренной шейки коленчатого вала до оси его шатунной шейки.

Ход поршня S — расстояние между крайними положениями поршня, равное удвоенному радиусу кривошипа коленчатого вала. Каждому ходу поршня соответствует поворот коленчатого вала на угол 180° (пол-оборота).

Рис. 2.
Основные положения кривошипно-шатунного механизма:
а — ВМТ; б — НМТ; V_c — объем камеры сгорания; V_h — рабочий объем цилиндра; D — диаметр цилиндра; S — ход поршня

Ход поршня S и диаметр D цилиндра обычно определяют размеры двигателя.

Такт — часть рабочего цикла, происходящая за один ход поршня.

Объем камеры сгорания — объем пространства над поршнем при его положении в ВМТ.

Рабочий объем цилиндра объем пространства, освобождаемого поршнем при перемещении его от ВМТ к НМТ.

Полный объем цилиндра — объем пространства над поршнем при нахождении его в НМТ. Очевидно, что полный объем цилиндра равен сумме рабочего объема цилиндра и объема камеры сгорания.

Степень сжатия ε — отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания.

Индикаторная мощность N_i, мощность, развиваемая газами в цилиндре.

Эффективная (действительная) мощность N_e — мощность, развиваемая на коленчатом валу двигателя. Эффективная мощность Ne меньше индикаторной N_i, так как часть последней затрачивается на трение и на приведение в движение вспомогательных механизмов. Эта мощность называется мощностью механических потерь N_м.

Механический КПД (коэффициент полезного действия) двигателя η_м — отношение эффективной мощности к индикаторной:

Индикаторный КПД η_i, представляет собой отношение теплоты Q_i эквивалентной индикаторной работе, ко всей теплоте Q, введенной в двигатель с топливом.

Эффективный КПД η_е — отношение количества теплоты Q₂, превращенного в механическую работу на валу двигателя, ко всему количеству теплоты Q₁, подведенному в процессе работы.

Среднее эффективное давление р_е — произведение среднего индикаторного давления р_i (давление, действующее на поршень в течение одного хода поршня) на механический КПД η_м.

Удельный индикаторный расход топлива q_i — количество топлива, расходуемого в двигателе для получения в течение 1 ч индикаторной мощности 1 кВт.

Удельный эффективный расход топлива g_e — количество топлива, которое расходуется в двигателе для получения в течение 1 ч 1 кВт эффективной мощности.

Двигатель внутреннего сгорания Отто

В первом тепловом двигателе — паровой машине — тепло производилось в топке и в паровом котле, вне цилиндра — рабочего органа машины. Топка и котёл делали двигатель громоздким и тяжёлым, годным только для стационарного использования или для установки на большие пароходы и паровозы. В поисках идеи компактного и лёгкого двигателя конструкторы пришли к мысли сжигать топливо внутри рабочего цилиндра — так появились прототипы двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Первый ДВС, схожий с современным, создал в 1876 г. немецкий конструктор Николаус Отто.

Пробный вариант

Первый двигатель внутреннего сгорания (ДВС) создал французский изобретатель Ф.И. де Ривас в 1807 г. Смесь воздуха и водорода в рабочем цилиндре зажигалась электрической искрой от батареи Вольта, после подрыва смесь расширялась, создавая высокое давление в цилиндре и подбрасывая поршень. Отработанные газы выпускались, образуя под поршнем вакуум. Под воздействием давления атмосферы и своего веса поршень падал, возвращаясь в исходное положение, чтобы повторить цикл. Де Ривас использовал свой ДВС как привод передних колёс повозки. Но из-за низкой эффективности его двигатель не нашёл спроса. Впоследствии идеи де Риваса легли в основу дальнейших разработок ДВС.

Двигатель Ленуара

В 1860 г. другой француз, механик Э. Ленуар, сделал ДВС, похожий на горизонтальную паровую машину, но работающий на смеси воздуха со светильным газом (содержащим углеводороды). ДВС Ленуара был двойного действия — рабочий ход поршень совершал при движении в обе стороны. Это обеспечивалось тем, что смесь поджигалась искрой от двух электрических свечей по обе стороны от поршня, и впуск и выпуск газов проводился также с двух концов цилиндра с помощью золотников (таких же, как в паровых машинах).

Цикл работы ДВС Ленуара состоял из двух тактов (из двух ходов поршня — вперёд и назад). Оба хода обеспечивались расширением газовой смеси при сжигании, что требовало большого расхода топлива. Работа ДВС Ленуара обходилась в 7 раз дороже работы паровой машины той же мощности. Зато из-за отсутствия котла и топки ДВС был компактнее, и его, например, ставили на лодки, где не было места для паровой машины.

Первая победа Отто

Недостатки ДВС Ленуара учёл немецкий конструктор Н.А. Отто при создании своего двухтактного двигателя. Сделанный им в 1864 г. ДВС тоже работал на смеси воздуха со светильным газом. Отто поджигал смесь не электрической искрой, а пламенем газовой горелки, что было надёжнее при тогдашнем уровне развития электротехники. ДВС Отто совершал один рабочий ход. Сделав цилиндр вертикальным, Отто заставил поршень двигаться вниз без помощи давления газов, только под воздействием своего веса и давления атмосферы. Это позволило его ДВС при вдвое меньшем расходе топлива развивать мощность как у ДВС двойного действия. ДВС Отто оказался в 4-5 раз экономичнее двигателя Ленуара. Первые ДВС Отто широко использовались как приводы для типографских машин, грузовых лифтов-подъёмников, токарных и ткацких станков, прядильных машин и прочего оборудования.

Двухтактные ДВС, работающие по принципу ДВС Отто 1864 г., и сейчас используются как приводы сенокосилок и бензопил, в лодочных и мотоциклетных моторах.

Четыре такта успеха

Настоящий прорыв в создании ДВС Отто совершил в 1876 г. В новом двигателе Отто вернулся к горизонтальной конструкции. Для увеличения мощности ДВС Отто решил перед воспламенением сжать топливную смесь, а для этого цикл работы ДВС пришлось увеличить до 4 тактов — 4 ходов поршня, и этот двигатель стал называться четырёхтактным ДВС.

Мощный четырёхтактный ДВС Отто вытеснил все предыдущие модели ДВС — его схема стала образцом для создания всех последующих ДВС вплоть до нашего времени и открыла возможность применения ДВС на транспорте.

Развитие идеи

Производством всех ДВС Отто занималась компания «Ланген, Отто и Розен», созданная в 1869 г. Отто совместно с немецкими предпринимателями Э. Лангеном и Л. Розеном. Современные четырёхтактные ДВС сохранили принципиальную схему Отто, но топливо в них поджигается искрой от электрической свечи. Для увеличения мощности ДВС повышали объём его цилиндра, чтобы большим объёмом топлива усилить мощь его расширения. Но увеличение цилиндра не могло быть бесконечным, и тогда придумали усиливать двигатель путём увеличения числа цилиндров, поршни которых крутили один рабочий вал двигателя. Первые двухцилиндровые ДВС появились в конце XIX в., а четырёхцилиндровые — в начале XX в. Сейчас встречаются шести — , восьми — и 20 — цилиндровые ДВС. Светильный газ был довольно дорогим топливом, и в Европе, и в России его производили не так много. В поисках нового вида топлива для ДВС обратили внимание на другие вещества, содержащие углеводороды — продукты нефтепереработки.

Сотрудники компании Отто Г. Даймлер и В. Майбах в 1883 г. создали первый бензиновый ДВС, который в 1885 г. установили на первом мотоцикле, а в 1886 г. — на первом автомобиле.

Однако бензин при испарении плохо смешивался с воздухом, реакция при возгорании протекала неравномерно, и бензиновые ДВС, работая ненадёжно, не могли вытеснить газовые ДВС. Выход нашёл венгерский инженер Д. Банки — в 1893 г. он придумал устройство для распыления бензина в воздухе — карбюратор с жиклёром. Бензиновая взвесь, равномерно смешанная с воздухом, поступала в цилиндр, где при зажигании быстро превращалась в газовую смесь, обеспечивая хорошее протекание реакции и мощное расширение при взрыве. В России первый бензиновый двигатель с карбюратором сконструировал в 1880-х гг. О. С. Костович. В 1897 г. немецкий инженер Р Дизель придумал дизельный двигатель, в котором топливо воспламенялось не от огня или электрической искры, а от высокой температуры, которая возникает при сильном сжатии воздуха. В России производство дизельных двигателей, усовершенствованных российским инженером Г. В. Тринклером, началось в 1899 г. Эти дизели устанавливали на стационарных машинах (станках и пр.).