Устройство и принцип работы четырехтактного двигателя

Двигатели

Знать, как работает четырехтактный двигатель полезно каждому автомобилисту: чем понятнее устройство транспортного средства, тем проще поддерживать его исправное техническое состояние.

История и принцип работы четырехтактного ДВС

Тактом при работе ДВС называется один ход поршня (вверх или вниз), таким образом 4 тактный двигатель — это мотор, который совершает один рабочий цикл за четыре такта (два полных хода поршня). Четырехтактными могут быть не только автомобильные, но и лодочные моторы, а также силовые агрегаты мопедов, мотоциклов, квадроциклов или мотоблоков.

Четырехтактный ДВС в разрезе

История создания ДВС

Официально принцип работы четырехтактного двигателя был запатентован в 1861 году французским инженером Алфоном де Роше. Ранее, примерно в 1854 году два итальянских специалиста — Феличе Матоцци и Евгенио Барсанти создали похожую конструкцию, но данные об этом моторе были утеряны.

Первый четырехтактный силовой агрегат, который мог использоваться на практике, сконструировал немецкий изобретатель Николас Отто. С тех пор 4-тактный мотор, в котором топливная смесь воспламеняется от свечей зажигания, называется также двигателем Отто.

Двигатель Отто
Схема двигателя Отто

Спустя 8 лет после выхода первого прототипа фирма Отто производила уже около 600 четырехтактных моторов в год.

Как четырехтактные двигатели попали в автомобилестроение

Инженер Готлиб Даймлер, который трудился в компании Отто, первым понял потенциал изобретения своего шефа для частного транспорта, и предложил на создать на базе конструкции автомобиль. Отто не был впечатлен идеями подчиненного: Даймер в 1880 году был уволен вместе со своим другом — конструктором Вильгельмом Майбахом и открыл свою компанию.

В 1886 году независимо друг от друга компания Daimler и другой немецкий инженер Карл Бенц представили обществу модели самоходного автомобиля, основанные на ДВС Отто, на принципе которого функционирует и большинство современных машин, кроме электрокаров.

Грузовик DMG 1896
Грузовик Daimler-Motoren-Gesellschaft, 1896 год.

С 1895 года автомобили Daimler-Motoren-Gesellschaft начали продавать и в России.

Отличие четырехтактного мотора от двухтактного

В двухтактном моторе один рабочий цикл происходит за два движения поршня, позволяя в теории получать в 1,5 раза большую мощность. Но на практике он оказывается менее экономичным, так как не имеет отдельных циклов выпуска и впуска, и часть топлива теряется, смешиваясь с отработкой. К тому же, такой движок не оснащен системой смазки и жидкостного охлаждения, поэтому он производит больше шума и быстрее перегревается при высоких нагрузках.

Ответ на вопрос какой мотор лучше: двух- или четырехтактный зависит от области применения устройства. Если требуется небольшой и легкий силовой агрегат, то лучший выбор — двухтактный движок. Для механизмов, у которых мощность, бесшумность и экономичность важнее габаритов и простоты обслуживания идеально подходит конструкция на четыре такта.

Как устроен и работает четырехтактный движок

Работа 4 тактного двигателя позволяет вращать коленчатый вал, который через кривошипно-шатунный механизм передает движение на колесный привод транспортного средства. Простейшая одноцилиндровая конструкция состоит из:

  • металлического корпуса, состоящего из крышки и блока цилиндров;
  • цилиндра, внутри которого вверх и вниз перемещается поршень;
  • впускного и выпускного клапанов, подающих в камеру сгорания топливную смесь и отводящих отработанные газы;
  • поршня, который сжимает топливную смесь, провоцируя воспламенение, а также проворачивает маховик коленчатого вала и, соответственно, колеса транспортного средства;
  • свечи зажигания, подающей в цилиндр искру, поджигающую горючую смесь (на бензиновых моделях);
  • системы подачи масла внутрь силового агрегата для смазки и охлаждения движущихся частей;
  • контура жидкостного охлаждения, отводящего излишнее от мотора излишнее тепло.
Четырехтактный одноцилиндровый двигатель
Одноцилиндровый четырехтактный ДВС в разрезе.

Противовес коленчатого вала необходим для устранения биений из-за неравномерного распределения импульса, который возникает вследствие того, что воспламенение происходит не каждый, а через один оборот коленвала.

Как работает четырехтактный двигатель:

  1. Впуск (от 0 до 180о проворота кривошипа): поршень опускается до нижней мертвой точки (НМТ), одновременно с этим открывается впускное отверстие и в движок поступает смесь топлива и кислорода.
  2. Сжатие (от 180 до 360о): поршень поднимается до верхней мертвой точки (ВМТ), сжимая находящуюся внутри топливную смесь.
  3. Рабочий ход (от 360 до 540о): топливо внутри цилиндра воспламеняется от свечи зажигания (либо от температуры — на дизелях) и поршень силой получившегося взрыва снова отбрасывается вниз. Третий такт называется рабочим, потому что именно в нем поршень совершает полезную работу, передавая коленвалу, и далее — на колесный привод крутящий момент (остальные такты ДВС происходят, наоборот, за счет движения кривошипно-шатунного механизма, поэтому фактический КПД движка такого типа составляет около 40%).
  4. Выпуск (от 540 до 720о проворота кривошипа): в это время открывается выпускное отверстие, и поршень снова поднимается до ВМТ, выталкивая отработанные газы в выхлопную систему.
Работа четырехтактного ДВС
Рабочий цикл четырехтактного бензинового двигателя.

Степень сжатия силового агрегата и его компрессия — это не одно и то же. Первое значение — это отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания, а второе — степень сжатия, умноженная на коэффициент (1,2 — для бензина или 1,7–2,0 — для дизеля).

В чем особенность дизельных силовых агрегатов

Все ДВС можно поделить на две группы по принципу смесеобразования:

  1. Бензиновые (карбюраторные или инжекторные) и газовые — в которых топливо смешивается с воздухом до попадания в цилиндр.
  2. Дизельные — топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания.

Рабочий цикл четырехтактного двигателя на дизельных силовых агрегатах немного отличен от бензиновых. В камерах сгорания находится кислород, который нагрет до температуры, достаточной для воспламенения топлива. Перед тем, как поршень дойдет до верхней мертвой точки, в цилиндр впрыскивается жидкое дизтопливо, которое форсунки распыляют до мелких капель для более быстрой реакции с нагретым воздухом.

Рабочий цикл дизельного двигателя
4 такта двигателя внутреннего сгорания на дизеле.

Мощные дизельные силовые агрегаты могут иметь несколько форсунок на один цилиндр.

Многоцилиндровые модели

Чем больше цилиндров имеет четырехтактный двигатель, тем больше суммарный объем камер сгорания, поэтому силовые агрегаты на автомобилях оснащают несколькими цилиндрами. Чаще всего это число бывает четным, для обеспечения баланса установки, но встречаются и трехцилиндровые модели.

Классификация многоцилиндровых автомобильных моторов:

  • Рядный — на одном коленчатом вале параллельно друг другу;
  • V-образный — два ряда цилиндров на коленвале, расположенные под углом;
  • VR-образный — аналогичен предыдущему, но имеет меньший угол развала (около 15о).
Рядный ДВС
Рядный ДВС в разрезе.

Чтобы многоцилиндровый движок работал равномерно, такты различных цилиндров должны чередоваться в определенной последовательности и через равные промежутки времени. Примерный порядок работы четырехцилиндрового ДВС:

Таблица чередования тактов

Таблица дана для примера. Порядок работы цилиндров индивидуален для каждой модели силового агрегата, точные цифры можно найти в документации на автомобиль.

Порядок работы цилиндров ВАЗ-2109
Порядок работы цилиндров на ВАЗ-2109.

От чего зависит мощность четырехтактного мотора

Основные параметры, оказывающие влияние на мощность силового агрегата, это:

  • суммарный объем цилиндров;
  • частота вращения коленчатого вала;
  • пропускная способность впускных и выпускных отверстий;
  • уровень сжатия топливной смеси.

Мощность возрастает также и при максимальном наполнении цилиндров, поэтому были изобретены турбины, дополнительно подкачивающие кислород в камеру сгорания.

Турбонаддув
Схема работы наддува турбированного мотора.

Вспомогательные системы

Поскольку 4-тактный движок сложнее 2-тактного, для нормального функционирования он нуждается во вспомогательных системах:

  • Газораспределение — регулирует подачу топливной смеси и вывод отработанных газов при помощи впускных и выпускных клапанов.
  • Смазка — подает в мотор масло, которое уменьшает силу трения механических деталей, охлаждает механизм и выводит продукты сгорания.
  • Топливоподача — система подачи горючего из бензобака в цилиндры. На старых бензиновых моделях создание топливной смеси происходит в карбюраторе, а на инжекторных движках топливо впрыскивается напрямую через форсунки.
  • Зажигание (на бензиновых агрегатах) — система поочередно подает ток с трамблера на каждую свечу зажигания, а оттуда — в камеры сгорания. На некоторых моделях авто (например, ВАЗ 2106) для повышения напряжения, подаваемого на свечи, на трамблере установлен конденсатор.
  • Охлаждение — дополнительный водяной контур, отводящий от мотора излишнее тепло.
  • Выхлопная система — очищает отработанные газы и выводит их в атмосферу.
М57
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания М57 от BMW.

От правильного давления внутри смазочной системы зависит качество работы и ресурс мотора, поэтому рекомендуется не только полагаться на индикатор давления масла в салоне, но и периодически проводить ручное измерение при помощи манометра.

Поделиться
Александр Петренко
Александр Петренко

Автолюбитель с многолетним стажем. Имею опыт работы в автосервисе и автоподборе.

Оцените автора
Добавить комментарий

  1. Аватар
    Александр Иванович

    Кто-нибудь знает порядок цилиндров БМВ20 М20?

    Ответить
  2. Аватар
    Kot

    Все-таки первым официально принято считать автомобиль Бенца

    Ответить