Четыре такта двигателя: Двигатель четырехтактный внутреннего сгорания: устройство и порядок работы

Четырехтактный двигатель | Мото-мануалы и инструкции


В то время как четырехтактный двигатель может устранить многие из недостатков, свойственных двухтактному, у него есть свои собственные недостатки. В итоге нельзя сказать, какой из них лучше другого, все зависит от предназначения двигателя. У каждого двигателя есть свое место в мире мотоциклов, где он работает наилучшим образом и идеально подходит для этого, как ни один другой.

Пока сложно оспаривать достоинство четырехтактных двигателей с точки зрения расхода топлива и уровней выбросов, однако их повышенная сложность означает удорожание производства, что приводит к сложившейся ситуации, благодаря которой двухтактные двигатели идеальны для небольших мотоциклов серийного производства и скутеров, стоимость которых относительно невысока (хотя по-прежнему они занимают свое место среди спортивных машин с высокими показателями, по крайней мере, в настоящее время). Четырехтактные двигатели идеальны для большинства мотоциклов от 125 куб.см. и выше, от учебного мотоцикла до спортивных машин большой кубатуры с отличными, характеристиками. В свое время были распространены двухтактные двигатели среднего объема (от 250 до 750 куб см.), которые очень активно противостояли четырехтактным двигателям равного или большего объема, но те дни прошли, и теперь редко встретишь на дороге двухтактник объемом больше 250 куб, см.

4-Stroke-Engine1. Впуск 2. Сжатие 3. Рабочий ход 4. Выпуск

Впуск, сжатие, воспламенение, выпуск

В двухтактных двигателях внутреннего сгорания четыре процесса (наполнение, сжатие.рабочий ход и выпуск.или каких иногда называют: впуск, сжатие, воспламенение, выпуск) взаимопереплетены, в четырехтактном двигателе границы между процессами более четкие, и в принципе каждому процессу отведен свой такт в цикле (хотя на практике, это не совсем так).

Конструктивно четырехтактный двигатель подобен двухтактному и состоит из основных узлов, а именно: поршня, цилиндра, шатуна и коленчатого вала. Однако у него есть множество дополнительных узлов и деталей, в совокупности известных как клапанный механизм, который служит для управления и задания фаз впуска и выпуска. Управление наполнением происходит при помощи впускного клапана, а выпуском управляет выпускной клапан, в принципе в четырехтактном двигателе они заменяют поршень и дисковый или лепестковый клапан. Можно рассмотреть множество различных схем, но все они отражают различные подходы к достижению одного и того же конечного результата.

В четырехтактном двигателе поступающая смесь попадает непосредственно в камеру сгорания, и картер больше не участвует в процессе наполнения. Несмотря на усложнение конструкции и уменьшение числа рабочих тактов вдвое, появляется возможность точнее управлять процессами впуска и выпуска и, таким образом, обеспечивать достаточно высокую эффективность двигателя.

Тарельчатые клапана
Тарельчатые клапанаДетали клапанного механизмаДетали клапанного механизма

Клапана

Отличительной особенностью всех четырехтактных двигателей являются клапана, если говорить точнее — тарельчатые клапана, через которые смесь попадает в камеру сгорания, а иные газы отводятся из нее. Во всех современных конструкциях клапана спроектированы исходя из формы головки цилиндра. До 50-х годов прошлого века существовало много машин, у которых клапана открывались вверх в полость камеры сгорания, расположенную сбоку от цилиндра. Такие двигатели носят название нижнеклапанных или двигателей с боковым расположением клапанов, Хотя они проще в изготовлении, их эффективность ниже по сравнению с двигателями с верхним расположением клапанного механизма. Тарельчатый клапан состоит из круглой тарелки, прикрепленной к длинному стержню, и похож на гвоздь с большой шляпкой. У тарелки клапана есть коническая уплотняющая поверхность, переходящая в стержень клапана.которая предназначена для уплотнения по соответствующей поверхности седла, расположенного в головке цилиндра (или полости камеры сгорания на нижнеклапанных двигателях). Стержень клапана проходит через направляющую в головке цилиндра и выступает снаружи.

Клапан самостоятельно закрывается и удерживается в закрытом положении сильной пружиной (иногда применяются две пружины), которая зафиксирована упором пружины, в свою очередь, закрепленном при помощи двух сухарей, установленных в канавку в верхней части стержня клапана. Привод клапанов может быть различным, но принцип один и тот же, вне зависимости от схемы газораспределительного механизма, однако за исключением распредвала используемые при этом детали сильно отличаются.

распределительного вала, управляющего движением клапановКомпьютерная анимация распределительного вала, управляющего движением клапанов

Распредвалы

Распредвал можно обнаружить на всех традиционных четырехтактных двигателях с тарельчатыми клапанами. Непосредственно или косвенно он используется для открытия и закрытия каждого клапана в заданной точке четырехтактного цикла. В связи стем, что цикл занимает четыре хода поршня (которые соответствуют двум полным оборотам коленчатого вала) и тем, что каждый клапан необходимо открыть один раз за цикл, частота вращения распредвала вдвое меньше частоты вращения коленчатого вала. Это означает, что за время двух полных оборотов коленчатого вала распредвал совершает один оборот, Это осуществляется за счет простого шестеренчатого, цепного или ременного привода между этими валами, при этом у шестерни или звездочки,установленной на коленчатом валу, вдвое меньшее число зубьев по сравнению с ответной деталью, установленной на распредвале.

По длине распредвала выполнены выступы механизма и открытия в заданный момент называемые кулачками, которые служат для времени соответствующего клапана.

Конструкция четырехтактного двигателя — клапанный механизм

Основная статья: Четырехтактный двигатель: Клапанный механизм

В принципе, все четырехтактные двигатели похожи, они отличаются только расположением и приводом впускных и выпускных клапанов. Как и многое другое в мотоцикле, стремление достичь высоких скоростей и мощностей привело к существенному усовершенствованию четырехтактного двигателя.

Системы впуска четырехтактных двигателей — альтернативы таральчатым клапанам

Развитие четырехтактной системы впуска шло по пути устранения, насколько это возможно, поступательно движущихся узлов клапанного механизма. В то время, как схема DOHC максимально приблизилась к этой цели, сам тарельчатый клапан остается ограничивающим фактором. Тарельчатый клапан успешно работает, но обладает очевидными недостатками. Кроме того, что он относится к возвратно-поступательно движущимся массам, он также представляет собой значительную преграду для поступающей смеси, тем самым порождая нежелательную турбулентность и сопротивление, которые препятствуют наполнению цилиндра. При разработке современных конструкций прилагается множество усилий для компенсации этих недостатков, но основные проблемы по прежнему остаются. За последние годы было предпринято бесчисленное количество попыток заменить тарельчатый клапан альтернативной системой клапанов, среди них наиболее обнадеживающим выглядит схема с вращающимся крестообразным клапаном. Он представляет собой полый цилиндр, установленный поперек головки цилиндра в специальной камере. Цилиндр клапана вращается с частотой, вдвое меньшей частоты вращения коленчатого вала двигателя, при этом прорезь в его стенке совпадает с впускным или выпускным отверстием в соответствующей точке цикла двигателя. Таким образом, клапанный механизм приводится в действие аналогично дисковому клапану двухтактных двигателей и обеспечивает свободное поступление газа в камеру сгорания. Компания
Norton
опробовала такие клапана на своих спортивных двигателях в начале 50-х годов XX века, но, столкнувшись с проблемой уплотнений, впоследствии вернулась к тарельчатым клапанам.

Наряду с золотниковым клапаном и клапаном типа Aspin, вращающийся крестообразный клапан был отвергнут,главным образом, из-за свойственных ему проблем герметизации, а тарельчатый клапан занимал достаточно прочные позиции для того, чтобы заставить изготовителей отказаться от дальнейших исследований. Однако концепция вращающегося клапана не забыта, и уже существует четырехтактный двигатель, в котором не используются тарельчатые клапана. Он представляет собой вращающийся цилиндр с окнами. Привод цилиндра осуществляется от коленчатого вала при помощи шестеренчатой передачи, частота вращения цилиндра ниже скорости коленчатого вала вдвое.

Существенная особенность этого двигателя — поршень, поступательно движущийся в том же самом цилиндре, то есть герметизацию обеспечивает стандартный поршень и его кольца. Посути это совмещение конструкций вращающихся клапанов, упомянутых выше, и системы каналов, используемой на двухтактном двигателе.

Фазы газораспределения четырехтактных двигателей

Естественно, что впускной клапан должен быть открыт во время такта впуска, выпускной — во время такта выпуска. Но на самом деле двигатель с такими фазами газораспределения будет обладать очень скромными характеристиками.

Моменты открытия и закрытия впускного клапана

Механизм газораспределения спроектирован тж. что впускной клапан открывается до того, как поршень окажется в ВМТ (в конце такта выпуска), а закрывается после прохождения поршнем НМТ (в начале такта сжатия). Для этого существуют очень серьезные основания. Во-первых, клапан на может открыться мгновенно. Так, если бы впускной клапан начал открываться в ВМТ, то он не был бы полностью открыт до тех пор, пока поршень не сместился бы в цилиндре на некоторое расстояние от ВМТ, и, если бы он полностью закрывался к тому моменту времени, когда поршень окажется в НМТ, то сокращалось бы фактическое время полного открытия клапана: при этом величина подъема (величина, на которую клапан выступит в цилиндр при полном открытии) будет невелика из-за времени, потраченного на открытие и закрытие. Это снизило бы количество смеси, поданной в цилиндр, а следовательно, и индикаторный КПД двигателя. Во-вторых, поступающая смесь обладает массой, и она по инерции стремится продолжать перемещение по мере поступления в цилиндр. Если впускной клапан остается открытым после НМТ, то импульс смеси способствует большему наполнению даже тогда, когда поршень начинает двигаться вверх. Угол, который коленчатый вал пройдет от НМТ до момента закрытия впускного клапана, называется «запаздыванием закрытия впускного клапана».

Моменты открытия и закрытия выпускного клапана

По аналогии с впускными клапанами в конструкцию заложено, чтобы выпускной клапан открывался до достижения поршнем НМТ (к концу рабочего хода), а закрывался после прохождения поршнем ВМТ, (в начале такта впуска). Кроме гарантии полного открытия клапана в начале такта выпуска, опережение открытия клапана предотвращает формирование демпфирующего воздействия отработавших газов (находящихся под высоким давлением), препятствующего подъему поршня в цилиндре.

Закрытие клапане после ВМТ обеспечивает полную очистку цилиндра, так как впускной клапан открывается до ВМТ на такте впуска (что означает, что оба клапана открыты одновременно), а вырывающиеся наружу отработавшие газы создают разрежение во впускном тракте, что способствует проникновению свежей смеси в цилиндр. Наполнение цилиндра свежей смесью способствует вытеснению отработавших газов. Угол, который пройдет коленчатый вал после открытия выпускного клапана до НМТ, называется «опережением открытия выпускного клапана». Угол, который коленчатый вал проходит за время, когда вблизи ВМТ одновременно открыты впускной и выпускной клапана, называется «перекрытием». Угол, в течение которого открыт клапан, называется «продолжительностью»

Опережение, запаздывание и перекрытие

Величина опережения, запаздывания и перекрытия определяет рабочие характеристики двигателя, а предназначение двигателя определяет моменты задания открытия или закрытия клапанов. Например, низкооборотные двухцилиндровые длинноходные двигатели, используемые в «кастомах» и «круиэерах», должны обладать большим запасом тяги на низах в виде крутящего момента. Их фазы газораспределения будут сильно отличаться от фаз высокооборотных многоцилиндровых короткоходных двигателей, применяемых на спортивных мотоциклах, мощность которых должна быть высокой при больших частотах вращения. Это связано с тем, что фазы газораспределения влияют на то, при каких частотах вращения достигаются максимальные крутящий момент и мощность. По мере роста частоты вращения на процессы, происходящие в двигателе, отводится меньше времени, поэтому высокооборотным двигателям требуются большие по сравнению с низкооборотными перекрытие, опережение открытия и запаздывание закрытия клапанов, чтобы впустить большее количество смеси за меньший период времени. Однако при большом перекрытии клапанов получаются невысокие характеристики при низких частотах вращения, поскольку у поступающей свежей смеси есть время, чтобы покинуть цилиндр по кратчайшему расстоянию прямо через выпускной канал. В низкооборотном двигателе на происходящие в двигателе процессы отводится большее количество времени, а необходимая величина перекрытия углов опережения открытия и запаздывания закрытия клапанов — меньше, благодаря этому достигается эффективное наполнение и продувка при низких частотах вращения двигателя. Однако это означает, что времени для подачи достаточного количества смеси недостаточно для получения удовлетворительных характеристик при высоких частотах вращения. Существует «золотая середина» между крайностями: спортивным мотоциклом и «кастомом» или «круизером», и можно получить хорошее распределение мощности во всем диапазоне частот вращения, хотя в этом случае ни «тяга на низах», ни высокая максимальная мощность не будет характерна.

Изменяемые фазы газораспределения

Каждый двигатель с постоянными фазами газораспределения — своего рода компромисс. Каждая частичка дополнительной мощности, полученной при высоких частотах вращения за счет более широких фаз газораспределения, приводит к потере крутящего момента и мощности при низких частотах вращения, и наоборот.

Термин «изменяемые фазы газораспределения» означает, что для любой заданной частоты вращения двигателя можно оптимизировать величины перекрытия, опережения открытия, запаздывания закрытия и продолжительности открытия клапанов. В начале 80-х годов XX века компания Honda разработала систему для 16-клапанного двигателя, в которой было применено дуплексное коромысло для использования при низких частотах вращения только двух из четырех клапанов в каждом цилиндре. При заданной частоте вращения оно блокировалось с дополнительным коромыслом для использования всех четырех клапанов. Система получила дальнейшее развитие за счет применения трех кулачков распредвала на одно дуплексное коромысло; центральный кулачок такого распредвала обладал большими подъемам и продолжительностью открытия клапана, чем два внешних. Это позволяло использовать при низких частотах вращения двигателя все четыре клапана за счет меньшего подъема и продолжительности открытия, затем при заданной частоте вращения для привода коромысел использовался третий кулачок, а величина подъема и продолжительность открытия возрастала. Самая последняя разработка компании Honda система — Hyper V-TEC, представленная на предназначенной для японского рынка модели Honda СВ400 Super Four в 1999 году и использованная на модели Honda VFR800 2002 года. Она возвращается к схеме, когда при низких частотах вращения работают два клапана, а при высоких-четыре, но отказывается от сложной конструкции с коромыслами, которые добавляют возвратно-поступательно движущихся масс.

В цилиндре привод пары клапанов (впускной и выпускной) осуществляется традиционными «чашеобразными» толкателями, которые работают постоянно. Привод другой пары клапанов осуществляется «чашеобразными» толкателями, которые также работают все время, но в каждом толкателе присутствует палец с отверстием, установленный между толкателем и стержнем клапана. При низких скоростях вращения отверстие располагается напротив стержня клапана, тогда контакт с толкателем отсутствует, и клапан остается закрытым. При заданной скорости открывается масляная магистраль, и под давлением масла палец располагается так, что отверстие уже не совпадает со стержнем клапана. В этом случае толкатель через палец и открывает клапан.

Компания Suzuki для моделей Suzuki GSF 400 Bandit и Suzuki RF400, предназначенных для японского рынка, разработала свою систему изменяемых фаз газораспределения. В этой системе используется электрический привод в виде сервомотора, установленного на клапанной крышке двигателя. При заданной частоте вращения двигателя сервомотор приводит в действие дополнительные клапана при помощи реечно-шестеренчатого механизма

[kkstarratings] Share Button

Статью прочитали: 658

Сравнение двухтактного мотора с четырехтактным в компании «Мореход»

Содержание

Принцип работы 2-х и 4-х тактных двигателей

Тактом рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания является ход поршня от одной мёртвой точки до другой. Один такт соответствует 180-градусному повороту (полуобороту) коленчатого вала. При 4-х тактном процессе рабочий цикл осуществляется за два оборота вала, при 2-х тактном — за один.

Четырехтактный двигатель

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх основных этапов — тактов. Поршень — металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами (поршневые кольца), вложенными в канавки на поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива, в промежутке между поршнем и стенками цилиндра. Пoршень снабжен металлическим стержнем — пальцем, соединение с шатуном. Шатун передаёт прямолинейное возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

I этап – Впуск. В процессе впуска поршень четырёхтактного двигателя идёт из верхней мёртвой точки в нижнюю мёртвую точку. Одновременно кулачком распредвала открывается впускной клапан, в цилиндр четырёхтактного двигателя затягивается свежая топливно-воздушная смесь.

II этап – Сжатие. Пoршень четырёхтактного двигателя поднимается из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку, сжимая рабочую топливную смесь. Одновременно и значительно поднимается температура горючей смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в нижней мертвой точке и объёма камеры сгорания во внутренней мертвой точке называется степенью сжатия (не путать с компрессией). Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Но, для четырёхтактного двигателя с бОльшей степенью сжатия требуется топливо с бОльшим октановым числом, которое дороже.

III этап – Сгорание и расширение (рабочий ход поршня). Незадолго до окончания такта сжатия горючая смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания. Во время следования поршня из верхней мертвой точки в нижнюю мертвую точку топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до верхней мертвой точки при поджигании смеси именуется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы давление газов достигло максимальной величины когда поршень будет находиться в верхней мертвой точке. Тогда использование энергии сгоревшего топлива будет максимальным. Скороть горения топлива практически не меняется, то есть занимает фиксированное время, следовательно чтобы достичь максимальной производительности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания пропорционально уровню оборотов коленвала. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором воздействующим на прерыватель). В более современных двигателях для регулировки угла используется электронное опережение зажигания.

IV этап – Выпуск. После нижней мертвой точки такта рабочего хода поршня четырёхтактного двигателя открывается выпускной клапан, и поднимающийся поршень вытесняет отработанные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем верхней мертвой точки выпускной клапан закрывается и четырёхтактный цикл начинается сначала.

Необходимо также помнить, что следующий процесс (например, впуск), необязательно должен начинаться в тот момент, когда закончится предыдущий (например, выпуск). Такое положение, когда открыты сразу оба клапана (впускной и выпускной), называется перекрытием клапанов. Перекрытие клапанов необходимо для лучшего наполнения цилиндра/-ов горючей смесью, а также для лучшей очистки цилиндра/-ов четырёхтактного двигателя от отработанных газов.

Двухтактный двигатель

Двухтактный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за один оборот коленчатого вала, то есть за два хода поршня. Такты сжатия и рабочего хода в двухтактном двигателе происходят так же, как и в четырехтактном, но процессы очистки и наполнения цилиндра совмещены и осуществляются не в рамках отдельных тактов, а за короткое время, когда поршень находится вблизи нижней мертвой точки, с помощью вспомогательного агрегата — продувочного насоса.

В связи с тем, что в двухтактном двигателе при равном количестве цилиндров и числе оборотов коленчатого вала рабочие ходы происходят вдвое чаще, литровая мощность двухтактных двигателей выше чем четырехтактных — теоретически в два раза, на практике в 1,5-1,7 раза, так как часть полезного хода поршня занимают процессы газообмена, а сам газообмен менее совершенный чем у четырехтактных двигателей.

В отличие от четырехтактных двигателей, где вытеснение отработавших газов и всасывание свежей смеси осуществляется самим поршнем, в двухтактных двигателях газообмен выполняется за счет подачи в цилиндр рабочей смеси или воздуха (в дизелях) под давлением, создаваемым продувочным насосом, а сам процесс газообмена получил название — продувка. В процессе продувки свежий воздух (смесь) вытесняет продукты сгорания из цилиндра в выпускные органы, занимая их место.

По способу организации движения потоков продувочного воздуха (смеси) различают двухтактные двигатели с контурной и прямоточной продувкой.

Контурная продувка

При контурной продувке поток воздуха (смеси) движется вдоль внутренней поверхности цилиндра и его головки, повторяя их контур (отсюда название). Впускные и выпускные органы — окна в стенках цилиндра — расположены в его нижней части. Открытие и закрытие впускных и выпускных окон осуществляется самим поршнем, а специальный газораспределительный механизм отсутствует. Направление потока воздуха (смеси) по контуру цилиндра может осуществляться специальными дефлекторами на днище поршня и в головке цилиндра (в этом случае продувка называется дефлекторной) или специальной формой продувочных каналов, направляющих поток воздуха (смеси) к головке цилиндра, и сферической формой головки. Так как в последнем случае воздух (смесь) в цилиндре описывает петлю, такой тип продувки называется возвратно-петлевой или просто петлевой.

Прямоточная продувка

При прямоточной продувке поток воздуха (смеси) движется, не меняя направления, вдоль оси цилиндра. Управлять открытием и закрытием продувочных и выпускных окон одним поршнем невозможно, что требует применения специальных устройств. Может использоваться клапанный механизм, установленный в головке цилиндра, через который происходит выпуск отработавших газов (продувочные окна открываются и закрываются поршнем), или два поршня, встречно движущихся в одном цилиндре (один поршень управляет впускными окнами, другой выпускными).

При прямоточной продувке качество очистки цилиндра от остаточных газов существенно лучше, чем при контурной. Кроме того, поскольку открытие (и закрытие) выпускных и продувочных органов осуществляется различными элементами двигателя, подбор оптимальных фаз газораспределения не представляет затруднейний. Как правило, в двигателях с прямоточной продувкой выпускной клапан (выпускное окно) закрывается раньше продувочного, что исключает потерю свежего заряда и позволяет осуществлять дозарядку с повышением давления (то есть наддув).

Преимущества и недостатки 2-х и 4-х тактных подвесных лодочных моторов

Преимущества 2-х тактных перед 4-х тактными

Во-первых, меньший вес. Пример: 15 л.с. 2-х тактный 36 кг 4-х тактный 45 кг. Казалось — бы 45 кг. — легко. Все не так просто. Вес мотора распределен крайне неравномерно. Примерно 90% весит голова (сам двигатель) 10% нога. Не нужно также забывать и о большем у 4-х тактников размере головы. Все это + одна маленькая не всегда удобная ручка для переноски делает этот процесс крайне затруднительным.

Во-вторых, цена. 4-х тактные двигатели сложнее в производстве, состоят из большего количества деталей, поэтому всегда дороже 2-х тактников.

В-третьих, удобство перевозки 2-х тактника. Можно возить в любом положении, перед началом эксплуатации не требует отвешивания. Т.е. достал из багажника, поставил, завел, поехал.

В-четвертых, 2-х такт мотор живее реагирует на ручку газ. В 4-х тактниках для совершения полного рабочего цикла поршню необходимо сделать 2 полных оборота в то время как в 2-х тактных только один.

Частый вопрос: А правда ли что 4-х такная 15 л.с. бежит быстрее чем такая же 2-х тактная?
Ответ: нет не правда. У обеих этих двигателей мощность на валу 15 л.с. При прочих равных условиях почему один мотор должен ехать быстрее второго?

Недостатки 2-тактных перед 4-тактными

Во-первых, больший расход топлива. Напомним, примерный расход можно высчитать по формуле: для 2 такта 300 грамм на одну лошадинную силу для 4 такта 200 грамм.

Во-вторых, шумность. На максимальных оборотах 2-х тактные моторы как правило работают немного громче 4х тактников.

В-третьих, комфорт. 4-х тактные моторы не так вибрируют на малых оборотах (Касается только двухцилинровых двигателей. Одноцилиндровые и 2-х и 4-х тактники вибрируют примерно одинаково) и не так дымят как 2-х тактники. Дымность важный момент, особенно если вы любите заниматься троллингом.

В-четвертых, долговечность. Довольно спорный пункт. Бытует мнение, что 2-хтактные моторы менее долговечны. С одной стороны это понятно, потому как масло для смазки трущихся элементов двигателя подается вместе с бензином, а значит работает не так эффективно в отличие от 4-х тактных двигателей где трущиеся элементы буквально плавают в масле. Но с другой стороны 4-х тактный мотор по конструкции намного сложнее конкурента, состоит из значительно большего числа деталей, а золотой принцип механики «Чем проще тем надежнее» еще никто не отменял.

Какой же мотор выбрать?

Конечное решение всегда остается за вами, в этой статье мы лишь постарались дать объективную оценку этим моторам, поэтому взвесьте все за и против изложенные выше и сделайте выбор самостоятельно. Однозначного ответа на вопрос: какой из моторов лучше вы не найдете ни в одной из книг ни на одном из форумов, все зависит от того чего вы хотите от приобретаемого вами мотора, условия его использования и, конечно, ваши возможности.

Четырехтактный двигатель — Four-stroke engine

Четырехтактный цикл , используемый в бензин / бензиновых двигателей. 1 = Впускной, 2 = сжатие, 3 = мощность, 4 = Вытяжной. Правый синий сторона впускной порт и левая сторона коричневая выпускное отверстие. Стенки цилиндра представляет собой тонкий рукав , окружающий поршневую головку , которая создает пространство для сжигания топлива и генезиса механической энергии.

Четырехтактный (также четыре цикла ) двигатель является внутренним сгорание (IC) , двигатель , в котором поршень заканчивает четыре отдельных штрихов при повороте коленчатого вала. Инсульт относится к полному ходу поршня вдоль цилиндра, в любом направлении. Четыре отдельные штрихи называются:

  1. Впускной: Также известен как индукция или всасывания. Этот ход поршня начинается в верхней мертвой точке (ВМТ) и заканчивается в нижней мертвой точке (НМТ). В этом ходе впускной клапан должен находиться в открытом положении, в то время как поршень тянет воздушно-топливную смесь в цилиндр, производя давление вакуума в цилиндр через его движение вниз. Поршень двигается вниз, как воздух всасывается в нисходящем движении против поршня.
  2. Сжатие: Этот ход начинается в НМТ, или просто в конце такта всасывания, и заканчивается в верхней мертвой точке такта В этом поршень сжимает воздушно-топливную смесь в ходе подготовки к зажигания во время рабочего хода (ниже). Как впускные и выпускные клапаны закрыты во время этой стадии.
  3. Сгорание: Также известна как сила или воспламенения. Это начало второго оборота цикла четыре хода. На данный момент коленчатый вал завершил полный оборот на 360 градусов. В то время как поршень находится в верхней мертвой точке (конец такта сжатия) сжатой смеси воздух-топливо воспламеняется с помощью свечи зажигания (в бензиновый двигатель) или с помощью тепла , генерируемого высокой степенью сжатия (дизельные двигатели), принудительно возвращая поршень в НМТ Этот ход производит механическую работу от двигателя , чтобы повернуть коленчатый вал.
  4. Выхлоп: Также известен как выпускное отверстие. Во время выхлопного хода, поршень, еще раз, возвращается из НМТ в ВМТ , а выпускной клапан открыт. Это действие выталкивает использованную воздушно-топливную смесь через выпускной клапан.

Эти четыре удара можно запомнить разговорной фразой «Suck, Squeeze, взрыв, удар».

история

Отто цикл

Отто двигатель от 1920 США Производства

Николаус Август Отто , как молодой человек был коммивояжером для продуктового концерна. В своих путешествиях он столкнулся с двигателем внутреннего сгорания , построенным в Париже бельгийского экспатриантова Жан Жозеф Этьен Ленуар . В 1860 годе Ленуар успешно создал двойное действие двигатель , который работал на светильном газ с КПД 4%. 18 л Ленуар двигатель производится только 2 лошадиных сил. Двигатель Ленуара побежал светильный газ , сделанный из угля, который был разработан в Париже Филипп Лебон .

При тестировании реплики двигателя Ленуар в 1861 году Отто стало известно о влиянии компрессии на расхода топлива. В 1862 году, Отто попытался произвести двигатель, чтобы улучшить на низкой эффективности и надежности работы двигателя Ленуар. Он попытался создать двигатель, который будет сжимать топливную смесь перед воспламенением, но не так, что двигатель не будет работать не более чем за несколько минут до его разрушения. Многие другие инженеры пытались решить эту проблему, не имела успеха.

В 1864 году, Отто и Ойген Ланген основан первая внутреннего производство двигателя внутреннего сгорания компания, Н. А. Отто и Cie (Н. А. Отто и Company). Отто и Cie удалось создать успешный атмосферный двигатель в том же году. Завод побежал из космоса и был перенесен в город Дойцы , Германии в 1869 году, когда компания была переименована в Дойцах Gasmotorenfabrik AG (Deutz Gas Engine Manufacturing Company). В 1872 году Готлиб Даймлер был техническим директором и Вильгельм Майбах был главой конструкции двигателя. Daimler был оружейник , который работал на двигателе Ленуар. К 1876 году, Отто и Ланген удалось создать первый двигатель внутреннего сгорания , который сжатый топливную смесь перед сгоранием за гораздо более высокой эффективностью , чем любой двигатель , созданный к этому времени.

Даймлер и Майбах покинули используют на Отто и Cie и разработали первый высокоскоростной двигатель Отто в 1883. В 1885 г. они произвели первый автомобиль , чтобы быть оснащен двигателем Отто. Даймлер Reitwagen использовал систему зажигания горячей трубки и топливо , известное как лигроин , чтобы стать первым в мире транспортное средство , приводимое в движение двигателем внутреннего сгорания. Он использовал двигатель четырехтактный , основанный на конструкции Отто. В следующем году Карл Бенц произвел четыре-тактный с двигателем автомобиля на который считается первым автомобилем.

В 1884 году, компания Отто, тогда известный как Gasmotorenfabrik Дойц (GFD), разработал электрический зажигание и карбюратор. В 1890 году Даймлер и Майбах создали компанию , известную как Daimler Motoren Gesellschaft . Сегодня эта компания Daimler-Benz .

Аткинсон цикл

Этот 2004 Toyota Prius гибрид имеет двигатель Аткинсон цикла как бензиновый-электрический гибридный двигатель Цикл Аткинсона газа

Двигатель Аткинсон цикла представляет собой тип двигателя внутреннего сгорания одного хода изобретена Джеймс Аткинсон в 1882 году Atkinson цикла предназначен для обеспечения эффективности за счет плотности мощности , и используется в некоторых современных гибридных электрических приложениях.

Оригинальный Аткинсон цикла поршневого двигателя позволило впуска, сжатия, мощность, и выхлопные штрихов цикла четырехтактного происходить в один оборот коленчатого вала, и был разработан, чтобы избежать нарушения определенных патентов, охватывающих Отто цикла двигателей.

Благодаря уникальному коленвал конструкции Аткинсон, его коэффициент расширения может отличаться от его степени сжатия и, с рабочим ходом дольше , чем такт сжатия, то двигатель может достичь большего теплового коэффициента полезного действия по сравнению с традиционным поршневым двигателем. В то время как оригинальный дизайн Аткинсона не больше , чем историческое любопытство, многие современные двигатели используют нетрадиционный фаз газораспределения , чтобы произвести эффект более короткий такт сжатия / длительный рабочий ход, таким образом , реализации экономии топлива улучшений цикл Аткинсона может обеспечить.

Дизельное цикл

Audi Дизель R15 в Ле-Мане

Дизельный двигатель является техническим уточнением двигателя Отто цикла 1876. Там , где Отто понял , в 1861 году , что эффективность двигателя может быть увеличена путем сжатия первого топливной смеси до ее зажигания, Рудольф Дизель хотел разработать более эффективный тип двигателя , который может работать на гораздо более тяжелое топливо. Ленуар , Отто Атмосферные и двигатели Отто сжатия (как 1861 и 1876) были разработаны , чтобы работать на светильного газа (газ , уголь) . С той же мотивацией , как Отто, Дизель хотел создать двигатель , который дал бы небольшим промышленным предприятиям своего собственный источник питания , чтобы они могли конкурировать с более крупными компаниями, и как Отто, чтобы уйти от необходимости быть привязанными к муниципальной топливоподаче , Как Отто, потребовалось более десяти лет , чтобы произвести двигатель с высокой степенью сжатия , что может самовозгоранию топлива впрыскивается в цилиндр. Дизель используется воздушный спрей в сочетании с топливом в его первом двигателе.

Во время первоначальной разработки, один из двигателей взрыв чуть не убил Дизель. Он упорно и, наконец, создали успешный двигатель в 1893. с высокой степенью сжатия двигателя, который воспламеняет свое топливо за счет теплоты сжатия, теперь называют дизельный двигатель ли четырехтактного или двухтактного конструкции с.

Дизельный двигатель четырехтактный используется в большинстве тяжелых условий эксплуатации в течение многих десятилетий. Он использует тяжелое топливо, содержащие больше энергии и требует меньшего уточнения для производства. Самые эффективные Отто цикла двигатели работают вблизи тепловой КПД 30%.

Термодинамический анализ

Идеализированное четырехтактный цикл Отто пВ Диаграмма :  потребление (А)  хода выполняется с помощью изобарической расширения, с последующим  сжатием (B)  инсульт, выполняется с помощью адиабатического сжатия. Через сгорания топлива изохорная процесс производится, с последующим адиабатическим расширением, характеризующий  мощность (С)  хода. Цикл закрываются изохорическим процессом и изобарическим сжатием, характеризующим  выпускной (D)  инсульт.

Термодинамический анализ фактических четырехтактных и двухтактных циклов не является простой задачей. Однако анализ можно упростить , если существенно используются стандартные допущения воздуха. В результате чего цикл, который очень напоминает фактические условия эксплуатации, является циклом Отто.

Во время нормальной работы двигателя, как воздух / топливная смесь сжимается, электрическая искра создается для воспламенения смеси. На низких оборотах это происходит близко к верхней мертвой точке (ВМТ). При повышении оборотов двигателя, скорость фронта пламени не меняется, так что точка искры продвигается в начале цикла, чтобы позволить большую часть цикла для заряда сжигани до того, как начинается рабочий ход. Это преимущество находит свое отражение в различных конструкциях двигателей Отто; атмосферный (без сжатия) двигатель работает с КПД 12%, тогда как сжатый заряд двигатель имеет операционную эффективность около 30%.

соображения Топливные

Проблема с сжатых зарядом двигателями является то, что повышение температуры сжатого заряда может вызвать преждевременное зажигание. Если это происходит в то время, и слишком энергичный, это может привести к повреждению двигателя. Различные фракции нефти широко различной температуры вспышки (температуры, при которой топливо может самовозгоранию). Это необходимо учитывать в конструкции двигателя и топлива.

Тенденция к сжатой топливной смеси , чтобы воспламенить рано ограничивается химическим составом топлива. Есть несколько сортов топлива для размещения различных уровней производительности двигателей. Топлива изменяется , чтобы изменить его температуру самовоспламенения. Есть несколько способов сделать это. Как двигатели разработаны с более высокими коэффициентами сжатия результатом является то , что предварительно зажигание гораздо более вероятно, произойдет , поскольку топливная смесь сжимается до более высокой температуры до преднамеренного зажигания. Более высокая температура , более эффективно испаряется виды топлива , такие как бензин, что повышает эффективность работы двигателя сжатия. Более высокие коэффициенты сжатия также означает , что расстояние , на которое поршень может нажать , чтобы вырабатывать энергию больше (которая называется коэффициент расширения ).

Октановое число данного топлива является мерой сопротивления в топливе к самовозгоранию. Топливо с более высоким октановым числом численным обеспечивает более высокую степень сжатия, которая извлекает больше энергии из топлива и более эффективно преобразует эту энергию в полезную работу, в том же время предотвращая повреждение двигателя от предварительного зажигания. Высокооктанового топлива также является более дорогим.

Дизельные двигатели по своей природе не имеют проблем с предварительным зажиганием. Они имеют озабоченность , может ли быть запущенно сгорание. Описание того , как вероятно , Дизельное топливо для воспламенения называется цетановое. Поскольку дизельное топливо обладает низкой летучестью, они могут быть очень трудно начать , когда холодно. Различные методы используются для запуска холодного дизельного двигателя, наиболее распространенным является использование запальной свечи .

Принципы проектирования и инженерных

Выходная мощность ограничения

Четырехтактный цикл
1 = ВМТ
2 = НМТ
 А: Впускной 
 Б: Сжатие 
 С: Мощность 
 D: Выпускной 

Максимальное количество электроэнергии , вырабатываемой двигателем, определяется максимальным количеством воздуха внутрь. Количество электроэнергии , вырабатываемой с помощью поршневого двигателя связана с его размера (объема цилиндра), является ли это двухтактный двигатель или конструкция , четырехтактный, объемный КПД , потери, соотношение воздух-топливо, теплотворная из топлива, содержание кислорода в воздухе и скорости ( оборотов в минуту ). Скорость, в конечном счете ограничивается прочностью материала и смазкой . Клапаны, поршни и шатуны страдают серьезные силы ускорения. При высокой частоте вращения двигателя, физическое повреждение и поршневых колец флаттера может произойти, что приводит к потере мощности или даже к разрушению двигателя. Поршневые кольца флаттер происходит , когда кольца колеблются по вертикали в поршневых канавках они находятся в. Кольце флаттер ставит под угрозой уплотнения между кольцом и стенкой цилиндра, что приводит к потере давления в цилиндре и мощности. Если двигатель вращается слишком быстро, клапанные пружины не могут действовать достаточно быстро , чтобы закрыть клапаны. Это обычно называют как « клапан поплавка », и это может привести к поршню к клапану контакт, серьезно повредить двигатель. На высоких скоростях смазки поршня интерфейса стенки цилиндра имеет тенденцию ломаться. Это ограничивает скорость поршня для промышленных двигателей до около 10 м / с.

Впускной поток / выпускное отверстие

Выходная мощность двигателя зависит от способности потребления (воздушно-топливной смеси) и выхлопа, чтобы быстро перемещаться через порты клапанов, как правило , расположены в головке блока цилиндров . Для увеличения выходной мощности двигателя , в, нарушение в впускных и выпускных путях, такие как литейные дефекты, может быть удалено, и, с помощью к скамейке воздушного потока , радиусы порта клапана поворачивается и седло клапана конфигурация может быть изменена , чтобы уменьшить сопротивление. Этот процесс называется портированием , и это может быть сделано вручную или с ЧПУ станка.

Отходы рекуперации тепла из двигателя 12 IC

Двигатель IC в среднем способен преобразовывать только 30-40% от подводимой энергии в механическую работу. Большая часть энергии отходов в виде тепла, которое выделяется в окружающую среду через охлаждающую жидкость, плавники и т.д. Если бы мы могли как-то восстановить отработанного тепла мы можем улучшить производительность двигателя. Было обнаружено, что даже если 6% от полностью впустую тепла извлекают это может увеличить эффективность работы двигателя значительно.

Многие методы были разработаны для того , чтобы извлечь избыточное тепло от выхлопа двигателя и использовать его дальше , чтобы извлечь некоторую полезную работу, уменьшение выхлопных загрязняющих веществ в то же самое время. Использование цикла Ренкина, турбонаддув и термоэлектрического поколения может быть очень полезным в качестве утилизаторов системы.

Хотя система рекуперации тепла отходов в настоящее время часто используются среди всех устройств, но все еще некоторые вопросы, как их низкой эффективность при более низких скоростях подачи тепла и высоких насосных потерях по-прежнему вызывает озабоченность у исследователей.

Наддув

Одним из способов увеличения мощности двигателя, чтобы заставить больше воздуха в цилиндр таким образом , что больше мощности может быть получена от каждого рабочего хода. Это может быть сделано с помощью какого — то типа устройства сжатия воздуха , известное как нагнетатель , который может питаться от коленчатого вала двигателя.

Наддув увеличивает выходную мощность пределы внутреннего двигателя внутреннего сгорания по отношению к его смещению. Чаще всего, нагнетатель всегда работает, но были проекты, которые позволяют ему быть вырезаны или работать с разной скоростью (относительно скорости вращения двигателя). С механическим приводом нагнетателя имеет тот недостаток, что некоторые из выходной мощности используются для привода нагнетателя, в то время как сила впустую в выхлопных газах высокого давления, как воздух был сжат в два раза, а затем получает более потенциальный объем в камере сгорания, но это только расширяется в одну стадию.

турбонаддув

Турбокомпрессора является нагнетатель , который приводится в движение выхлопными газами двигателя, с помощью турбины . Турбонагнетатель встроен в выхлопной системе транспортного средства, чтобы использовать исключенного выхлопных газов. Он состоит из двух частей, высокоскоростной турбинной сборки с одной стороны , который сжимает всасываемый воздух, а с другой стороны , который питается от оттока выхлопных газов в.

Когда на холостом ходу, так и при низких до умеренных скоростей, турбина производит мало энергию из небольшого объема выхлопных газов, турбокомпрессор имеет небольшой эффект, и двигатель работает почти в безнаддувной образе. Когда требуется гораздо больше выходной мощности, частоты вращения двигателя и открытия дроссельной заслонки увеличивается до тех пор, выхлопные газы не являются достаточными, чтобы «золотник вверх» турбину турбонагнетателя, чтобы начать сжатия гораздо больше воздуха, чем обычно во впускной коллектор. Таким образом, дополнительная мощность (и скорость) выталкиваются через функцию этой турбины.

Турбонаддув обеспечивает более эффективную работу двигателя , поскольку он приводится в движение давлением выхлопных газов , которые бы в противном случае ( в основном) впустую, но есть ограничение дизайн известный как турбо лаг . Увеличенная мощность двигателя не сразу доступна в связи с необходимостью резко увеличить обороты двигателя, чтобы создать давление и раскручивает турбин до турбо начинает делать какое — либо полезное сжатие воздуха. Увеличение потребления приводит к увеличению объема выхлопных газов и спины турбо быстрее, и так далее до тех пор , устойчивая работа высокой мощности не будет достигнута. Другая трудность состоит в том , что чем выше давление выхлопных газов приводит к тому , отработавший газ передать больше своего тепла механических частей двигателя.

Род и отношение поршня к инсульту

Отношение стержня к инсульту является отношением длины шатуна к длине хода поршня. Более длинный стержень уменьшает бочком давления поршня на стенки цилиндра и сил напряжения, увеличивая срок службы двигателя. Это также увеличивает стоимость и двигатель роста и веса.

А «квадратный двигатель» представляет собой двигатель с диаметром отверстия , равным длине хода. Двигателя , где диаметр канала больше , чем его длина хода является oversquare двигатель, наоборот, двигатель с диаметром отверстия , который меньше , чем его длина хода является undersquare двигателя.

клапан поезд

Клапаны обычно работает с помощью распределительного вала вращающегося на половине скорости коленчатого вала . Он имеет ряд кулачков вдоль его длины, каждый из которых предназначен , чтобы открыть клапан , при соответствующей части впускного или выпускного хода. Толкателя между клапаном и кулачком является контактной поверхностью , на которой кулачок скользит , чтобы открыть клапан. Многие системы используют один или несколько распределительных валов «выше» строку (или каждый ряд) цилиндров, как показано на рисунке, в котором каждый кулачок , непосредственно приводит в действие клапан через плоский толкатель. В конструкции другого двигателя распредвал находится в картере , в этом случае каждый кулачок обычно контактирует с Шатуном , который контактирует с коромыслом , который открывает клапан, или в случае плоского двигателя толкатель не нужен. Верхний кулачок конструкция , как правило , обеспечивает скорость двигателя выше , так как она обеспечивает наиболее прямой путь между кулачком и клапаном.

Клапанный зазор

Клапанный зазор относится к небольшому зазору между подъемником клапана и штоком клапана, который гарантирует, что клапан полностью закрывается. На двигателях с механическим регулированием клапана, чрезмерный зазор вызывает шум поезда клапана. Слишком малый зазор клапана может привести клапаны не закрывается должным образом, это приводит к потере производительности и, возможно, перегрев выпускных клапанов. Как правило, зазор необходимо подрегулировать каждые 20000 миль (32000 км) с щупом.

Большинство современных производственных двигатели используют гидрокомпенсаторы для автоматической компенсации износа компонентов клапанного механизма. Грязное моторное масло может привести к отказу подъемного приспособления.

Энергетический баланс

Двигатели Отто примерно на 30% эффективнее; Другими словами, 30% энергии , вырабатываемой за счет сгорания преобразуется в полезную энергию вращения на выходном валу двигателя, в то время как оставшаяся часть потери из — за отходов тепла, трение и двигатель аксессуары. Есть несколько способов , чтобы восстановить часть энергии теряется впустую тепла. Использование Турбокомпрессор в дизельных двигателях является очень эффективным путем повышения давления входящего воздуха и , по сути, обеспечивает такое же увеличение производительности , как наличие большего количества перемещений. Компания Mack Truck, несколько десятилетий назад, была разработана система турбины , которая преобразуется отработанное тепло в кинетическую энергию , что она подается обратно в трансмиссию двигателя. В 2005 году BMW объявили о разработке в turbosteamer , двухступенчатую систему рекуперации тепла , аналогичной системе Mack , что восстанавливает 80% энергии в выхлопных газах и повышает эффективность работы двигателя Отто на 15%. В противоположность этому , шесть-тактный двигатель может снизить расход топлива на целых 40%.

Современные двигатели часто намеренно построены , чтобы быть немного менее эффективными , чем они могли бы быть иначе. Это необходимо для контроля выбросов , таких , как системы рециркуляции выхлопных газов и каталитических нейтрализаторов , которые снижают смога и других загрязняющих веществ в атмосферу. Снижение эффективности может быть нейтрализовано с блоком управления двигателем с использованием постного методов ожога .

В Соединенных Штатах, в корпоративной средней экономии топлива мандатов , что транспортные средства должны достичь в среднем 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 ). Как автопроизводители смотрят , чтобы удовлетворить эти стандарты к 2016 году, новые способы инженерного традиционного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) , должны быть рассмотрены. Некоторые потенциальные решения для повышения эффективности использования топлива для удовлетворения новых мандатов включают стрельбу после того, как поршень находится дальше от коленчатого вала, известного как верхней мертвой точке , и применяя цикл Миллера . В совокупности это реконструкция может значительно снизить потребление топлива и NO х выбросов.

Смотрите также

Рекомендации

Общие источники

  • Гарденберг, Хорст О. (1999). Средневековье из двигателей внутреннего сгорания . Общество инженеров автомобильной (SAE). ISBN  978-0-7680-0391-8 .
  • scienceworld.wolfram.com/physics/OttoCycle.html
  • Cengel, Юнус А; Майкл Boles; Yaling Он (2009). Термодинамика Инженерный подход. Np . The McGraw Hill Companies. ISBN  978-7-121-08478-2 .
  • Бенсон, Том (11 июля 2008). «4 тактный двигатель внутреннего сгорания» . п. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Проверено 5 May 2 011 .

внешняя ссылка

Двухтактный двигатель- Принцип работы и отличия от четырехтактного двигателя

Сегодня невозможно представить современную жизнь без двигателя внутреннего сгорания. Передвижение на собственном авто, поездки на общественном транспорте, покупка товаров, полет на самолете и другие действия. Эти процессы, так или иначе, связаны с двигателем.

Несмотря на количество всевозможных конструкций, и разновидностей силовых установок, поршневые моторы, на сегодня, распространены больше остальных. Количество тактов для выполнения рабочего цикла, делит агрегат на двухтактный и четырёхтактный двигатель. Эти типы моторов составляют большинство, среди разнообразия выпускаемой техники.

Разница между моторами возникает с точки зрения применения. Для установки на автомобильную технику, чаще используют четырехтактный агрегат, двухтактный двигатель применяют в том случае, если габариты и вес играют решающую роль.

Мотоцикл Suzuki RM125 с одноцилиндровым двухтактным двигателем

RM125

Создание двухтактного двигателя

Много предположений о том, кто первым создал двигатель внутреннего сгорания. Доподлинно известно, что первый двухтактный двигатель, работающий на газу, изобретен и сконструирован бельгийцем Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром, произошло это событие в 1858 году.

Двигатель Ленуара (выставлен в музее)

Ленуара

На тот момент уже создана паровая машина, и изобретение бельгийца превосходило её по характеристикам. Мотор намного легче, проще, потреблял меньше топлива. Несмотря на преимущества, силовая установка имела много недоработок и уступала в надёжности. После того как Николас Отто, презентовал четырёхтактный двигатель, который на тот момент продуман детальней, о моторе работающем по принципу двух тактов, забыли, и длительный период времени нигде не использовали.

Во время Великой Отечественной войны силовая установка устанавливалась на самолёты. В нашем регионе моторы известны благодаря использованию на мотто технике. Трёхцилиндровые агрегаты, выполняющие два такта, используются на мотоциклах компаний Suzuki и Kawasaki. Сегодня двигатели эксплуатируются в авиации, здесь лидер австрийская фирма Rotax, выпускающая моторы для использования на небольших самолетах.

Двухтактный двухцилиндровый двигатель Rotax 582 UL

582 UL

 

После ужесточения требований к экологическим нормам и выбросам двухтактный двигатель перестал применяться для установки на классический автомобильный транспорт. Однако, на лёгкой технике, как: скутера, снегоходы, катера заменить маленький и лёгкий агрегат не просто. Здесь конкурентов у двухтактной установки попросту нет.

Особенности двухтактного двигателя

Силовой агрегат, использующий два такта, хорош, поскольку прост и надёжен. Отличие двухтактного и четырехтактного двигателя заключается в выполнении рабочего цикла. Этот цикл заключается в двух тактах: сжатие и расширение, тогда как в четырёхтактном моторе присутствует такт впуска нового топлива и такт выпуска отработанного топлива. Интересен тот факт, что два эти такты присутствуют и у двухтактной силовой установки, иначе агрегат не смог бы работать, однако они объединены с процессами сжатия и расширения.

Выполняемый цикл наглядно демонстрирует, чем отличается двухтактный двигатель от четырехтактного мотора. Процесс двухтактного мотора проходит за оборот вала. Такая особенность добивается увеличения мощности установки в сравнении с оппонентом, в полтора раза. Несмотря на увеличение мощности, показатель отдачи занижен, а это отрицательный момент.

Кроме того, особенность приводит к выделению объёма тепла в процессе работы, что сильно перегревает мотор. Двухтактные силовые агрегаты нуждаются в интенсивном охлаждении. Положительный момент, работая, поршень совершает в два раза меньше движений, чем поршень четырехтактного механизма, это сокращает износ деталей и элементов.

Особенность агрегата, не присутствует механизм смазки. Масло подаётся непосредственно с горючим. С этой целью в бензобак добавляют смесь бензина и масла, соотношение один к пятидесяти, либо смешивают смазку с горючим в трубопроводе при впуске. Масло сгорает с бензином и выводится с продуктами отработки.

Отличительный момент и само горение. У четырёхтактного агрегата на это отводится один такт. В двухтактных установках сгорание происходит за доли секунды, поэтому для достижения эффекта механизм нуждается в настройках.

Двухтактные моторы нашли себя еще в одной отрасли, судостроение. Так же цилиндровые силовые установки применяют на скутерах, выпускаемых в больших количествах.

Принцип работы двухтактного двигателя

Что бы понять, почему четырёхтактные моторы вытеснили младших братьев на автомобильной технике, разберемся, как работает двухтактный двигатель.

Последовательность действий рабочего цикла силовой установки:

  • Такт сжатия.

    Процесс сопровождается перемещением поршня снизу вверх. Движение провоцирует поступление горючего через отверстия продувки в агрегат, впоследствии, юбка поршня перегораживает эти отверстия. Дальнейшее движение сопровождается закрытием каналов выпуска, в которые выталкивались отходы горения. Между поршнем и верхней частью цилиндра, образуется пространство сгорания, в котором создаётся избыточное давление. Одновременно, в пространстве под поршнем, возникает разряжение, и пространство используется для перетекания обновлённой дозы горючего. Достигнув верхней точки, заряд загорается.

Схема двухтактного двигателя

Схема двухтактного двс

  • Такт расширения.

    Воспламенившись, порция создаёт избыточное давление, которое жмёт на дно поршня и заставляет перемещаться. Процесс сопровождается поочерёдным открытием окон, сначала на выпуск, потом на продувку. Спуск создаёт избыточное давление под поршневой камеры, под его воздействием горючее снова поступает в цилиндр, выдавливая оставшуюся отработку и наполняя пространство для повторения предыдущего такта.

Принцип работы двухтактного двигателя позволяет обходиться без системы газораспределения, делая легче и надёжней конструкцию агрегата. Обратная сторона, качество процесса газообмена. Двухтактный режим невозможен без продувки, процесс которой сопровождается выходом не сгоревшего топлива вместе с отработанными газами наружу. Это ведет к перерасходу горючего и повышенной токсичности выхлопа агрегата.

Стоит заметить, что выше описанная схема характерна для карбюраторных моторов. В случае с дизелем или инжектором, в цилиндр через отверстия продувки подаётся чистый воздух. Горючая смесь поступает посредством впрыска, эту работу выполняют форсунки.

Способы продувки цилиндров

Очевидно, что процесс продувки, механизм, квалифицирующийся, как сложный. Правильно выполненная продувка напрямую влияет на показатели мощности и коэффициента полезного действия. Для улучшения характеристик, конструкторы постоянно стараются усовершенствовать и довести процесс до идеала.

Как можно продуть цилиндр:

  • «Контурная» продувка.Вид продувки прост и поэтому распространён. Недостаток то, что применение связано с перерасходом топлива. Разновидности контурной продувки: возвратно-петлевая, дефлекторная, высотная.

Разновидности контурной продувки

  • «П-образная» продувка.Принцип «П-образной» заключается в применении только на моторах с двумя цилиндрами. При проведении, один цилиндр участвует в процессе впуска газов, второй выпускает отработку. Эффект продувки ощущается в топливной экономичности, процесс сопровождается неравномерным нагревом пары, отвечающей за выпуск.

Принцип П-образной

  • «Клапанно-щелевая» продувка.Отличается тем, что требует наличия газораспределительного механизма для управления клапанами. Клапан используется, как для предоставления горючего, так и для вывода отработанных паров. Продувка предусматривает отвод отработки посредством клапана в головке цилиндров и поступление горючего через отверстия. Преимущество, что продувка повышает топливную экономичность и минимизирует показатель токсичности выпускаемых паров. Недостаток, сложность конструкции и нарушения режимов, связанных с повышением температуры работы агрегата.

Клапанно-щелевая

  • «Прямоточная» продувка.Используется в силовых установках с количеством поршней равным двум. При этом расположение цилиндра находится в горизонтальном положении. Поршни двигаются, друг навстречу другу. В движении каждый поршень освобождает и перекрывает клапан: один поршень впускает порцию горючего, второй удаляет порцию отработки из цилиндра. Камера сгорания образуется в момент сближения поршней друг с другом. Эффект этого варианта продувки максимален: удаляет сгоревшие газы и экономит горючее. Минус, требуется сложный механизм кривошипов и шатунов, показатели температуры двигателя требуют применения охладителей и устойчивых материалов для изготовления деталей.

Двухтактный двигатель 5 ТДФ с прямоточной продувкой

5 ТДФ

ТДФ 2

Отличие двухтактного двигателя от четырёхтактного

Авто владельцы задаются вопросом: что лучше двухтактный или четырехтактный двигатель. Однозначного ответа нет, у каждого механизма положительные и отрицательные стороны, зависящие от предъявляемых к мотору требований.

Казалось бы, мощность мотора выполняющего два такта, в сравнении с равнозначным мотором, выполняющим четыре такта, больше, а значит он лучше. Однако, реальность сложней. На практике, возникают дополнительные утраты: частичное попадание и смешивание газовой отработки со свежим горючим, выброс части топлива при продувке. Результат, при выполнении одинакового цикла, агрегат, выполняющий два такта, по показателю экономичности уступает агрегату с четырьмя тактами.

Различен способ смазки силовых установок на четыре и два такта. Установка на два такта смазывается посредством смешивания масла для мотора и бензина. В четырёхтактном агрегате предусмотрен механизм смазки с использованием насоса, который расходует масла столько, сколько требует эксплуатация установки.

Двухтактные моторы не имеют клапанов, роль детали играет поршень, он открывает и закрывает отверстия впуска и выпуска. Отсутствие механизмов газораспределения упрощает силовой агрегат, делая обслуживание простым. Мощность установки, выполняющей два такта, считается выше, так как её цикличность выше. Однако, не полностью используя поршневой ход, потери мощности при продувке и остатках отработанных газов снижают показатель мощности.

Что бы было легче определить, какой двигатель лучше, двухтактный или четырёхтактный, представим краткое описание обоих силовых установок в виде таблицы:

Четырёхтактная силовая установка Двухтактная силовая установка
Рабочий процесс – оборотов коленчатого вала два. Рабочий процесс — оборотов коленчатого вала один.
Воспламенение рабочей жидкости происходит каждый раз при совершении второго оборота, как следствие, неравномерное распределение импульса и использование противовеса для устранения биений. Воспламенение рабочей жидкости происходит каждый раз при совершении оборота, как следствие, равномерное распределение импульса, работа мотора сбалансирована лучше.
Агрегат тяжёлый. Агрегат лёгкий.
Сложная конструкция силовой установки, присутствует газораспределительный механизм. Простота конструкции, отсутствие клапанов.
Агрегат дорогой. Стоимость ниже четырёхтактного.
Сложные устройства и механизмы приводят к заниженному показателю механического коэффициента полезного действия. Механический коэффициент полезного действия выше, чем у агрегата с четырьмя тактами.
Полное удаление паров отработки, следствие, повышенный показатель производительности. Остатки отработки смешиваются с новым горючим, из-за чего производительность мотора ниже.
Рабочая температура ниже. Рабочая температура мотора выше из-за нарушения смесеобразования.
Охлаждение жидкостное. Охлаждение воздушное.
Расход топлива ниже. Показатель расхода топлива увеличен, обусловлено смесеобразованием и продувкой.
Габариты силовой установки увеличены. Габариты силовой установки ниже.
Требует применения сложных механизмов смазки. Механизм смазки прост.
Работа агрегата менее шумная. Агрегат работает с большим шумом.
Клапанный механизм газораспределения. Функцию механизма газораспределения выполняет поршень и каналы.
Показатель использования тепла эффективен. Показатель использования тепла не эффективен.
Расход масла занижен. Показатель расхода масла завышен, поскольку часть смазки выбрасывается с отработанными газами.

Применять двигатель, выполняющий два такта при работе, целесообразно в моменты, когда речь не идёт об экономии топлива и смазки, а на первом месте стоят габариты и вес установки.

В то же время, в конструкции двухтактного двигателя кроется потенциал, который никак не удается реализовать на практике. Расчетный показатель мощности и экономичности в этом агрегате высок, сложность реализовать возникает из-за тонкости настроек. Возможно, в скором будущем благодаря применению электронных датчиков и механизмов контроля и настроек, двухтактным агрегатам удастся занять лидирующие позиции на автомобильном рынке.

Четырехтактный двигатель

Четырехтактный цикл используется в бензиновых / бензиновых двигателях. Правая синяя сторона — это впуск, а левая желтая сторона — это выхлоп. Стенка цилиндра представляет собой тонкий рукав, окруженный охлаждающей жидкостью. Видеомонтаж двигателей Otto, работающих на Воссоединении паровых молотилок в Западной Миннесоте (WMSTR) в Роллаге, штат Миннесота.

Четырехтактный двигатель , также известный как четырехтактный , представляет собой двигатель внутреннего сгорания, в котором поршень совершает четыре отдельных такта — впуск, сжатие, мощность и выпуск — за два отдельных оборота коленчатого вала двигателя, и один единственный термодинамический цикл.

Существует два распространенных типа двигателей, которые тесно связаны друг с другом, но имеют существенные различия в конструкции и поведении. Самым ранним из них является двигатель цикла Отто, который был разработан в 1876 году Николаусом Августом Отто в Кельне, Германия, [1] , после принципа работы, описанного Alphonse_Beau_de_Rochas в 1861 году. Этот двигатель чаще всего называют бензиновый двигатель или бензиновый двигатель, после топлива, которое приводит его в действие. [2] Вторым типом четырехтактного двигателя является дизельный двигатель, разработанный в 1893 году Рудольфом Дизелем, также из Германии.Дизель создал свой двигатель, чтобы максимизировать эффективность, которой не хватало в двигателе Отто. Существует несколько основных различий между двигателем Отто и четырехтактным дизельным двигателем. Дизельный двигатель выполнен в двухтактной и четырехтактной версиях. По иронии судьбы компания Отто Deutz AG производит преимущественно дизельные двигатели в современную эпоху.

Цикл Отто назван в честь двигателя Николая А. Отто 1876 года, который создал успешный четырехтактный двигатель, основанный на работе Жана Жозефа Этьена Ленуара. [1] Это был третий тип двигателя, разработанный Отто. Он использовал раздвижные ворота пламени для зажигания своего топлива, которое представляло собой смесь освещающего газа и воздуха. После 1884 года Отто также разработал магнит, позволяющий использовать электрическую искру для зажигания, которая была ненадежной на двигателе Ленуара.

В настоящее время двигатель внутреннего сгорания (ДВС) используется в мотоциклах, автомобилях, лодках, грузовиках, самолетах, кораблях, тяжелом машинном оборудовании и в своем первоначальном предназначении использовался в качестве стационарной энергии как для производства кинетической, так и электрической энергии.Дизельные двигатели используются практически во всех тяжелых условиях эксплуатации, таких как грузовые автомобили, корабли, локомотивы, генераторы электроэнергии и стационарные установки. Многие из этих дизельных двигателей являются двухтактными с номинальной мощностью до 105 000 л.с. (78 000 кВт).

Четыре цикла относятся к циклам впуска, сжатия, сгорания (мощность) и выхлопа, которые происходят во время двух оборотов коленчатого вала за цикл мощности четырехтактных двигателей. Цикл начинается в Верхняя мертвая точка (ВМТ), когда поршень находится дальше всего от оси коленчатого вала.Цикл относится к полному перемещению поршня от верхней мертвой точки (TDC) к нижней мертвой точке (BDC). (См. Мертвую точку).

    Ход поршня
  1. : на впуске , ход поршня или , ход поршня , поршень опускается от верхней части цилиндра к нижней части цилиндра, снижая давление внутри цилиндра. Смесь топлива и воздуха или просто воздуха в дизельном двигателе нагнетается атмосферным (или большим) давлением в цилиндр через впускной канал.Впускной клапан (ы) затем закройте. Объем воздушно-топливной смеси, которая втягивается в цилиндр, относительно объема цилиндра называется объемным КПД двигателя.
  2. Ход компрессии: при закрытых впускных и выпускных клапанах поршень возвращается к верхней части цилиндра, сжимая воздух или топливовоздушную смесь в камеру сгорания головки цилиндра.
  3. Ход POWER
  4. : это начало второго оборота двигателя. В то время как поршень находится близко к верхней мертвой точке, смесь сжатого воздуха с топливом в бензиновом двигателе зажигается, как правило, свечой зажигания, или топливо впрыскивается в дизельный двигатель, который воспламеняется из-за тепла, выделяемого в воздухе во время такт сжатия.Результирующее сильное давление от сгорания сжатой топливно-воздушной смеси заставляет поршень вернуться вниз к нижней мертвой точке.
  5. Ход ВЫПУСКА: во время хода выпуска поршень снова возвращается в верхнюю мертвую точку, когда выпускной клапан открыт. Это действие удаляет сгоревшие продукты сгорания из цилиндра, вытесняя отработанную топливно-воздушную смесь через выпускной клапан (ы).

История

цикл Отто

Двигатель Отто производства США 1920-х годов

Николаус Август Отто в молодости 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 Ленуару удалось создать двигатель двойного действия, работающий на газе с эффективностью 4%. 18-литровый двигатель Ленуара смог произвести только 2 лошадиных силы. Двигатель Ленуара работал на осветительном газе, который был сделан из угля, который был разработан в Париже Филиппом Лебоном. [1] [3]

При тестировании точной копии двигателя Ленуара в 1861 году Отто стало известно о влиянии сжатия на заряд топлива.В 1862 году Отто попытался изготовить 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 инженеры также пытались решить проблему без успеха. [3]

В 1864 году Отто и Евгений Ланген основали первую компанию по производству двигателей внутреннего сгорания NA Otto and Cie (NA Otto and Company) .В том же году Отто и Си удалось создать успешный атмосферный двигатель. [3]

На заводе не хватило места, и в 1869 году он был перемещен в город Дойц, Германия, где компания была переименована в Deutz Gasmotorenfabrik AG (Компания по производству газовых двигателей Deutz). [3] В 1872 году Готтлиб Даймлер был техническим директором, а Вильгельм Майбах был главой по проектированию двигателей. Даймлер был оружейным мастером, который также работал на двигателе Ленуара ранее.

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. [1]

Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах покинули свои рабочие места в Отто и Си и разработали первый высокоскоростной двигатель Отто в 1883 году. В 1885 году они выпустили первый автомобиль, оснащенный двигателем Отто. Petroleum Reitwagen использовала систему зажигания с горячей трубкой и топливо, известное как Ligroin, чтобы стать первым в мире двигателем с двигателем внутреннего сгорания, использующим четырехтактный двигатель, основанный на дизайне Николауса Отто. В следующем году Карл Бенц выпустил автомобиль с четырехтактным двигателем, который некоторые называют первым в мире автомобилем.

В 1884 году компания Отто, ныне 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 известна как Daimler-Benz.

Смотрите двигатель Отто для более подробной информации.

Дизельный цикл

Audi Diesel R15 в Ле-Мане

Дизельный двигатель (см. Эту страницу) является техническим усовершенствованием двигателя 1876 года Otto Cycle. Когда Отто понял в 1861 году, что эффективность двигателя можно увеличить, 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 давал бы малым промышленным предприятиям собственный источник энергии, чтобы они могли конкурировать с более крупными компаниями, и, как Отто, уходил от требования быть привязанным к муниципальным поставкам топлива. Как и Отто, потребовалось более десяти лет, чтобы создать двигатель с высокой степенью сжатия, который самовоспламенял бы свое топливо, когда это топливо распылялось в цилиндр.Дизель использовал воздушный спрей в сочетании с топливом в своем первом двигателе.

Во время первоначальной разработки один из двигателей лопнул, почти убив дизель. В 1893 году он продолжил работу и в конце концов создал двигатель. Двигатель с высокой степенью сжатия, который воспламеняет свое топливо за счет тепла сжатия, теперь называется дизельным двигателем, независимо от того, является ли он четырехтактным или двухтактным.

Четырехтактный дизельный двигатель использовался в большинстве тяжелых условий эксплуатации на протяжении многих десятилетий. Главной из причин этого является то, что в нем используется тяжелое топливо, которое содержит больше энергии, требует меньше очистки и дешевле в производстве (хотя в некоторых районах мира дизельное топливо стоит дороже, чем бензин).Самые эффективные двигатели Otto Cycle работают с КПД около 30%. Volkswagen Jetta TDI 1.9 литровый двигатель достигает 46%. Он использует усовершенствованную конструкцию с турбонаддувом и непосредственным впрыском топлива. У некоторых корабельных дизелей BMW с керамической изоляцией эффективность превышала 60%.

Audi и Peugeot соревнуются в гонках на выносливость серии Ле-Ман с гоночными автомобилями с дизельным двигателем. Это четырехтактные, четырехклапанные, высокооборотные дизельные двигатели с турбонаддувом, которые доминируют в основном из-за экономии топлива и необходимости делать меньше остановок.

Термодинамический анализ

Чарльз Лоу 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
выхлоп (D) ход.

Термодинамический анализ фактических четырехтактных или двухтактных циклов не является простой задачей. Однако анализ можно значительно упростить, если использовать стандартные воздушные предположения [4] . Результирующий цикл, который очень напоминает фактические рабочие условия, является циклом Отто.

октановые требования

Топливо октановое число

Основная статья: Октан рейтинг
Otto Engines

Во время цикла сжатия двигателя внутреннего сгорания со сжатым зарядом температура топливовоздушной смеси повышается, как описано законом Чарльза, исключительно из-за сжатия газов.Повышение температуры составляет несколько сотен градусов.

Огнеупорная башня, показывающая различный вес различных продуктов.

Топливо, используемое в четырехтактных двигателях, чаще всего представляет собой фракции сырой нефти, каменноугольной смолы, горючего сланца или песков, которые производятся в процессе, называемом крекингом нефти. Температура воспламенения преломленного топлива зависит от его массы. Он отделен, будучи нагреванием и извлекается на различных высотах в огнеупорной башне. Чем больше паров топлива поднимается в башне, тем меньше ее вес и меньше энергии она содержит.При преломлении нефти существует стандартный вес топлива и продуктов, которые отбираются и которые связаны с конкретным извлеченным материалом. Бензин является легким огнеупорным продуктом и называется легкой фракцией. Как легкая фракция имеет относительно низкую температуру вспышки (то есть температуру, при которой она начинает гореть при смешивании с окислителем).

Топливо с низкой температурой вспышки может самовоспламеняться во время сжатия, а также может воспламениться от отложений углерода, оставшихся в цилиндре или головке грязного двигателя.В двигателе внутреннего сгорания самовоспламенение может произойти в неожиданное время. Во время нормальной работы двигателя, когда топливная смесь сжимается, создается электрическая дуга для зажигания топлива. На низких оборотах это происходит близко к ВМТ (верхняя мертвая точка). Когда число оборотов двигателя увеличивается, точка искры перемещается вперед, так что заряд топлива может воспламениться в более эффективной точке сжатия заряда топлива, чтобы позволить топливу начать гореть, даже когда оно все еще находится в сжатом состоянии. Это создает более эффективную мощность, основанную на повышении молекулярной плотности рабочего тела, поскольку это является основой эффективности в двигателе IE со сжатым зарядом.Более плотная рабочая среда (воздушно-топливная смесь) будет испытывать большее тепло, и, следовательно, давление возрастет на меньшее количество, когда его молекулы будут плотнее упакованы вместе.

Мы можем видеть это в двух конструкциях двигателей Отто. Компрессионный двигатель работал с КПД 12%. Двигатель со сжатым зарядом имел КПД 30%. Дизельный двигатель может достигать 70% (лабораторный двигатель Дизеля испытан на 75,6% КПД, VW TDI на 46%).

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 привести к поломке двигателя. Фракции нефти имеют очень разные температуры вспышки (температура, при которой топливо может самовоспламеняться). Это необходимо учитывать при проектировании двигателя и топлива.

В двигателях искра задерживается при запуске двигателя и прогрессирует только до соответствующей величины, основанной на оборотах двигателя. Это определяется лабораторными исследованиями. Поскольку двигатель вращается быстрее, он может принять более раннее зажигание, так как движущийся фронт пламени не успеет быть разрушительным.

В топливе 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, так как топливная смесь будет сжата до более высокой температуры до преднамеренного воспламенения.Более высокая температура будет более эффективно испарять топливо, такое как бензин, и это является фактором более высокой эффективности двигателя с более высокой степенью сжатия. Более высокие коэффициенты сжатия также означают, что расстояние, которое поршень может протолкнуть для выработки мощности, больше (что называется коэффициентом расширения).

Таким образом, должны быть стандартизированные испытания и стандартная система отсчета, чтобы описать вероятность самовоспламенения топлива. Оценка октана 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.

Дизельные двигатели

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.

В некоторых случаях, например, при сжигании отработанного растительного масла, само топливо является твердым, и перед использованием его необходимо нагреть до разжижения.Обычная жалоба заключается в том, что выхлоп может иметь запах картофеля фри.

Принципы проектирования и проектирования

Выходная мощность ограничения

Четырехтактный цикл
1 = TDC
2 = BDC
A: впуск
B: компрессия
C: мощность
D: Выхлоп

Максимальная мощность, вырабатываемая двигателем, определяется максимальным количеством поступающего воздуха. Количество энергии, генерируемой поршневым двигателем, зависит от его размера (объема цилиндра), будь то двухтактный или четырехтактный дизайн, объемного КПД, потерь, отношения воздух-топливо, теплотворной способности топлива. 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 тряска 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 приводит к потере 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 впускного / выпускного отверстия

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.

Наддув

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). Недостатком механического привода является то, что некоторая часть выходной мощности используется для привода нагнетателя, в то время как мощность теряется в выхлопе высокого давления, поскольку воздух сжимается дважды, а затем получает больший потенциальный объем в процессе сгорания, но он только расширяется. в один этап.

Турбонаддув

Турбокомпрессор — это нагнетатель, который приводится в движение выхлопными газами двигателя посредством турбины. 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 оказывает незначительное влияние, и двигатель работает почти без наддува.Когда требуется намного большая выходная мощность, частота вращения двигателя и открытие дросселя увеличиваются до тех пор, пока выхлопные газы не станут достаточными для «раскрутки» турбины турбокомпрессора, чтобы начать сжимать намного больше воздуха, чем обычно, во впускной коллектор.

Турбокомпрессор

обеспечивает более эффективную работу двигателя, поскольку он приводится в действие давлением выхлопных газов, которое в противном случае (главным образом) 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 любое 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

Отношение шатуна к ходу — это отношение длины шатуна к длине хода поршня. Более длинный шток уменьшит боковое давление поршня на стенку цилиндра и силы напряжения, увеличивая тем самым 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.

Valvetrain

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, и в этом случае каждый кулачок контактирует с толкателем, который контактирует с рычагом коромысла, который открывает клапан. Конструкция подвесного кулачка обычно обеспечивает более высокие обороты двигателя, поскольку обеспечивает наиболее прямой путь между кулачком и клапаном.

Зазор клапанов

Зазор клапана — это небольшой зазор между толкателем клапана и штоком клапана, который обеспечивает полное закрытие клапана. На двигателях с механической регулировкой клапана чрезмерный зазор будет вызывать шум в клапанной системе. Обычно зазор необходимо перенастраивать 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

Двигатели

Otto работают примерно на 30%. иными словами, 30% энергии, генерируемой при сгорании, преобразуется в полезную энергию вращения на выходном валу двигателя, а оставшаяся часть — потери из-за трения, принадлежностей двигателя и отработанного тепла. [5] 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 турбинную систему, которая преобразовывала отработанное тепло в кинетическую энергию, которая возвращалась в трансмиссию двигателя. Совсем недавно BMW разработала двухступенчатую систему рекуперации тепла, аналогичную системе Mack, которая восстанавливает 80% энергии в выхлопных газах и повышает эффективность двигателей Otto, к которым она применяется, на 15%, приводя двигатель Otto в один ряд с некоторыми дизельными двигателями. двигатели. [6]

В отличие от этого, шеститактный двигатель может преобразовывать более 50% энергии сгорания в полезную энергию вращения.

Современные двигатели часто специально собираются, 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. [7]

В Соединенных Штатах, средняя экономия топлива в корпоративном масштабе предписывает, что автомобили должны в среднем достигать 35.5 миль за галлон (миль на галлон) по сравнению с нынешним стандартом 25 миль на галлон. Поскольку автопроизводители надеются соответствовать этим стандартам к 2016 году, могут потребоваться новые способы конструирования 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. Вместе этот редизайн может значительно снизить расход топлива и выбросы NOx.

См. Также

Рекомендации

Общие источники

Внешние ссылки

,

Четырехтактный двигатель — Energy Education

Рисунок 1. 4-тактный 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 в двигателях 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, когда сгорание рабочей жидкости — бензина и воздуха (кислорода), а иногда и электричества изменяет движение поршня:

Реальный шаг цикла от 0 до 1 (идеальный цикл — зеленая линия): Упоминается 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 с 1 по 2: На этом этапе поршень будет вытянут, чтобы он мог сжимать топливно-воздушную смесь, попавшую 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 фаза выхлопа ): 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 для его «истощения» без изменения давления.

для дальнейшего чтения

Ссылки

  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.
,

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.

,

2-тактный или 4-тактный двигатель

Обновлено 14 февраля 2018 г.

Возможно, вы работали на газонокосилке, гидроцикле, мотороллере или двигателе большего размера, например, у грузовика. Эти двигатели подразделяются на двухтактные или четырехтактные. Состав двигателя может иногда помочь вам определить, какая машина соответствует вашим потребностям. Чтобы понять достоинства и недостатки каждого из этих двигателей, вам необходимо знать, как они работают.

Определения

2 stroke engine Двухтактный дизельный двигатель

Двухтактный двигатель Поршень делает один ход в каждом направлении, чтобы привести в действие данную машину.

  • Ход сжатия сжимает топливо, которое затем взрывается.
  • Обратный ход, называемый силовым ходом, приводится в действие взорванным топливом. Он перемещает картер, выпускает выхлопные газы и впускает новое топливо и воздух для следующего удара.
4-stroke Иллюстрация четырехтактного двигателя

Четырехтактный двигатель выполняет четыре такта для привода двигателя.

  • Ход сжатия сжимает воздух и топливо.
  • Силовой ход.Сжатый воздух воспламеняется, приводя в движение поршень, который вращает коленчатый вал в процессе, а также вырабатывая достаточно энергии для запуска трех других ходов.
  • Выхлопной ход. Когда поршень движется вверх, он выпускает выхлопные газы через выпускной клапан.
  • Впускной ход впускает новую подачу топлива и воздуха для первого хода.

Сравнительная таблица

Двухтактный двигатель Четырехтактный двигатель
Его поршень делает два такта в двигателе Его поршень делает четыре такта в двигателе
Громко тише
Менее эффективно, а значит, вредно для окружающей среды Эффективно, а значит экологически безопасно
Относительно дешевле, так как не имеет клапанов Относительно дорого из-за сложности встраивания клапанов
Производить высокую мощность за относительно короткий период Выработка малой мощности в течение длительного периода
Дополнительное масло, необходимое для смешивания с топливом, делает их дорогостоящими в обслуживании Не требует масла в топливе

2 Ход против 4 Stroke Engine

Какая разница между двухтактным двигателем? Джин и 4-х тактный двигатель? Различия можно увидеть в количестве ударов, которые делает каждый поршень, и их структуре.

  • Поршень в 4-х тактном двигателе делает четыре такта, которые приводят в движение коленчатый вал. Из-за своего веса и количества выстрелов, которые приводят в движение коленчатый вал, эти двигатели могут производить только низкое, но устойчивое количество энергии, которое идеально подходит для таких вещей, как грузовые автомобили, которые должны преодолевать большие расстояния без остановки. Напротив, двухтактный двигатель способен генерировать быстрые и внезапные скачки мощности, которые не поддерживаются в течение длительного периода времени. Это делает его идеальным для использования в бензопилах и гидроциклах, которые время от времени останавливаются.
  • Двухтактный двигатель легче построить, поскольку он не имеет клапанов. Это делает его более легким и дешевым в производстве. 4-х тактный двигатель требует сложных клапанов для эффективной работы, что делает его тяжелым и дорогим в сборке.
  • Двухтактный двигатель не требует масляного картера. Масло, смешанное с газом, недостаточно смазывает двигатель. Поэтому вряд ли это продлится долго. Стоимость короткого срока службы и смешивания масла с его топливом делает его дорогим в долгосрочной перспективе.4-х тактный двигатель не требует масла, смешанного с газом, поэтому он дешев в эксплуатации.
  • Двухтактные двигатели не так эффективны при сжигании топлива. По этой причине они загрязняют окружающую среду более 4-х тактных двигателей.

Видео

Вот видео, которое подчеркивает основные различия между двухтактным и четырехтактным двигателями, с за и против каждого:

.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о