Одноцилиндровый четырехтактный двигатель – 1.2. Механизмы двухцилиндрового четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания (рис. 1.2, табл. 1.2)

Содержание

Принципы работы простейшего одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания

В этой статье будут рассмотрены принципы работы простейшего одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. Этот двигатель взят для простоты понятия физических процессов, для того чтобы понять, как работают все подобные двигатели. На самом деле всё намного сложнее каждый процесс имеет столько особенностей, что и у специалистов, хорошо знающих работу двигателя, часто возникают споры по многим вопросам. Но все бензиновые двигатели (двигатели с принудительным зажиганием) работают на основе принципов, впервые описанных немецким инженером Отто.

Двигатель нужен для обеспечения автомобиля (если это не стационарный двигатель) механической энергией. Двигатель создаёт эту энергию. Но из школьного курса физики известно, что энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Что же является источником механической энергии, вырабатываемой двигателем, какую энергию он преобразует в механическую? Источником энергии двигателя внутреннего сгорания является энергия межмолекулярных связей углеводородного топлива, сгорающего в цилиндрах двигателя. Во время сгорания углеводородного топлива происходит разрыв этих связей с большим выделением тепловой энергии, которую двигатель и преобразует в механическую энергию в форме вращательного движения.

Для химических реакций, происходящих при сгорании топлива, требуется окислитель. Для этого используется кислород, содержащийся в окружающем атмосферном воздухе. Воздух это смесь газов, кислорода в этой смеси приблизительно 21%. В цилиндрах двигателя сгорает смесь топлива с воздухом. В идеальном случае все молекулы углеводородов, поданные в цилиндр, сгорая, соединяются со всеми молекулами кислорода, поданными в цилиндр во время одного рабочего цикла. То есть после процесса сгорания в цилиндре двигателя не должно остаться не одной молекулы топлива, и не одной свободной молекулы кислорода.

Химические реакции, во время которых полностью используются все активные вещества, называются стехиометрическими. Во время стехиометрического процесса для полного сгорания всех молекул 1-го килограмма топлива необходимо использовать приблизительно 14,7 килограммов воздуха. Это идеальный процесс, но реально при работе двигателя на различных режимах обеспечить его достаточно трудно, тем более что на некоторых режимах двигатель будет работать устойчиво, только если смесь отличается от стехиометрической.

Разобравшись, откуда берётся механическая энергия, приступим к изучению принципов работы двигателя. Как уже было отмечено ранее, здесь будет рассматриваться работа четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания, работающего по циклу Отто. Основным признаком цикла Отто можно назвать то, что перед воспламенением топливовоздушная смесь предварительно сжимается, а зажигание смеси происходит от постороннего источника – в современных двигателях только при помощи электрической искры.

За время становления и развития двигателя внутреннего сгорания было изобретено очень много различных конструкций и, разумеется, двигатель, работающий на принципах цикла Отто, был далеко не единственный. Из двигателей с возвратной поступательным движением поршня можно назвать двигатель, работающий по циклу Аткинсона, а из двигателей с круговым движением поршня наиболее известен роторно-поршневой двигатель Ванкеля. Существует большое количество вообще экзотических конструкций. Но все они не получили широкого практического применения. Более 99,9% используемых в настоящее время двигателей внутреннего сгорания работают по циклу Отто, (в данной статье сюда будут отнесены и дизельные двигатели) которые в свою очередь подразделяются на двигатели с электрическим воспламенением смеси и дизельные двигатели, с компрессионным воспламенением смеси.

Принципы работы таких двигателей и будут рассмотрены в этой статье.

И бензиновые и дизельные двигатели могут быть не только четырёхтактными, но и двухтактными. В настоящее время двухтактные двигатели на автомобиле не применяются, поэтому в данной главе они рассматриваться не будут.

Прежде чем рассматривать принципы работы двигателя рассмотрим, из каких основных деталей он состоит.

Основные детали простейшего ДВС

  1. Цилиндр.
  2. Поршень.
  3. Камера сгорания.
  4. Шатун.
  5. Коленчатый вал.
  6. Впускной канал.
  7. Впускной клапан.
  8. Впускной распределительный вал.
  9. Выпускной канал.
  10. Выпускной клапан.
  11. Выпускной распределительный вал.
  12. Свеча зажигания.
  13. Топливная форсунка (не показана).
  14. Маховик двигателя (не показан).

1. Цилиндр – основа двигателя, именно в нём происходит процесс сгорания топлива, цилиндр является направляющим элементом для движения поршня.

2. Поршень – деталь, перемещающаяся в цилиндре под воздействием расширяющихся газов или под воздействием кривошипно-шатунного механизма. Условно примем, что скользящее соединение, между поршнем и стенками цилиндра абсолютно герметично, то есть, ни какие газа не могут просочиться через это соединение.

3. Камера сгорания – пространство над поршнем, когда поршень находится в самой верхней точке своего хода (ВМТ).

4. Шатун – это стержень, передающий усилие от поршня к кривошипу коленчатого вала и, наоборот, от коленчатого вала к поршню.

5. Коленчатый вал – служит для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное, именно такое движение наиболее удобно для использования.

6. Впускной канал – канал, по которому топливовоздушная смесь поступает в цилиндр двигателя.

7. Впускной клапан – соединяет впускной канал с цилиндром двигателя. Условно принимаем, что в закрытом состоянии клапан полностью герметичен, а в открытом состоянии он не оказывает сопротивление проходу топливовоздушной смеси в цилиндр двигателя.

8. Впускной распределительный вал – открывает и закрывает впускной клапан в нужное время.

9. Выпускной канал – канал, по которому отработавшие газы выводятся из двигателя в атмосферу.

10. Выпускной клапан – соединяет выпускной канал с цилиндром двигателя. Условно принимаем, что в закрытом состоянии клапан полностью герметичен, а в открытом состоянии он не оказывает сопротивление проходу отработавших газов из цилиндра двигателя.

11. Выпускной распределительный вал – открывает и закрывает выпускной клапан в нужное время.

12. Свеча зажигания – служит для воспламенения сжатой топливовоздушной смеси в необходимое время.

13. Топливная форсунка – служит для распыления топлива в воздухе, поступающем в цилиндр двигателя.

14. Маховик двигателя – служит для необходимого перемещения поршня за счёт сил инерции во время всех тактов, кроме рабочего.

Далее придётся понять и запомнить довольно много специальных терминов, но сейчас упомянем, без полного объяснения, только некоторые.

1 — Верхняя мёртвая точка (ВМТ) – точка в которой поршень останавливается при изменении направления своего движения вверх цилиндра на движение вниз.

2 — Нижняя мёртвая точка (НМТ) – точка в которой поршень останавливается при изменении направления своего движения вниз цилиндра на движение вверх.

3 — Ход поршня – расстояние, проходимое поршнем при перемещении от ВМТ к НМТ или наоборот.

4 —

Такт двигателя – перемещение поршня от одной мёртвой точки к другой. Во время каждого такта коленчатый вал двигателя совершает половину оборота (180?).

5 — Цикл – периодичное повторение четырёх тактов двигателя во время работы. Полный цикл двигателя состоит из четырёх тактов и совершается за два полных оборота коленчатого вала (720?).

Принципы работы простейшего одноцилиндрового четырёхтактного двигателя:

1 — Такт всасывания

(поступления топливовоздушной смеси в цилиндр).

Впускной клапан открыт.
Выпускной клапан закрыт.

Под воздействием внешнего усилия (стартёра двигателя, заводной ручки или инерции маховика), передаваемого поршню шатуном, поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Поскольку соединение между поршнем и цилиндром полностью герметично, в пространстве над поршнем образуется пониженное давление (разрежение). Под воздействием атмосферного давления воздух через впускной канал, и открытый впускной клапан, начинает поступать в цилиндр двигателя. В это время топливная форсунка распыляет в поступающем воздухе необходимое количество топлива, в результате чего в цилиндр поступает горючая топливовоздушная смесь.

При достижении поршнем НМТ впускной клапан закрывается.

2 — Такт сжатия.

Оба клапана закрыты.

Под воздействием внешнего усилия поршень перемещается из НМТ к ВМТ. При этом в цилиндре происходит сжатие топливовоздушной смеси. По окончании такта сжатия, когда поршень встаёт в положении ВМТ, вся топливовоздушная смесь находится в сжатом состоянии в камере сгорания.

В это время свеча зажигания при помощи электрической искры воспламеняет сжатую топливовоздушную смесь. В дизельном двигателе в камеру сгорания при помощи топливной форсунки впрыскивается мелко распылённое топливо. В результате чего в обоих случаях происходит воспламенение смеси.


3 — Рабочий такт.

Оба клапана закрыты.

При сгорании топливовоздушной смеси в цилиндре резко поднимается температура и, главное, давление. Это давление равномерно давит во все стороны, но стенки камеры сгорания и цилиндра рассчитаны на это давления. А вод давление, оказываемое расширяющимися газами на поршень, днище которого является нижней частью камеры сгорания, заставляет поршень перемещаться вниз от ВМТ к НМТ. Это усилие через шатун передаётся на кривошип коленчатого вала, который преобразует поступательное движение поршня во вращательное движение.

При достижении поршнем НМТ открывается выпускной клапан.

4 — Такт выпуска.

Впускной клапан закрыт.
Выпускной клапан закрыт.

Под воздействием внешнего усилия, передаваемого на поршень через шатун, поршень перемещается из положения НМТ в положение ВМТ. Во время этого перемещения поршень вытесняет из цилиндра отработавшие газы через открытый выпускной клапан в выпускной канал и далее в атмосферу.

И так, мы рассмотрели полный цикл двигателя, состоящий из четырех тактов. Далее этот цикл повторяется бесконечно, пока двигатель не будет выключен или не закончится бензин в баке автомобиля.

Наверное, Вы обратили внимание, что из четырёх тактов полезным является только один – рабочий такт. Именно во время этого такта вырабатывается необходимая энергия. Все другие такты являются вспомогательными. Возможно, такая конструкция может показаться не эффективной, но лучшего, по всем показателям, пока ничего не изобретено. Да, существуют двухтактные двигатели, в которых полный цикл осуществляется за один поворот коленчатого вала. Существует роторно-поршневой двигатель Ванкеля, в котором вообще нет деталей, совершающих возвратно-поступательное движение, но этим конструкциям, при некоторых преимуществах, присущи свои недостатки, поэтому двигатели, работающие по четырёхтактному циклу Отто, в настоящее время имеют практически монопольное распространение в мире. И какой-либо замены им, в обозримом будущем, реально не предвидится.

Дизельный двигатель.

Двигатель, изобретённый немецким изобретателем Рудольфом Дизелем, очень похож и по конструкции и принципам работы на двигатель, работающий на бензине, описанный ранее. Но есть одно существенное различие. В этом двигателе воспламенение топливовоздушной смеси происходит не при помощи электрической искры, а за счёт контакта топлива с горячим воздухом находящемся в цилиндре. Такое воспламенение рабочей смеси называется компрессионным зажиганием. А откуда в цилиндре взялся горячий воздух, где его подогрели? Разумеется, никто его нарочно не грел. Если Вам когда-либо приходилось накачивать ручным насосом шину велосипеда, или автомобиля, вы могли обратить внимание, что довольно быстро насос начинает нагреваться. И вообще из школьного курса физики известно, что при сжатии все газы нагреваются, а воздух есть ничто иное, как смесь газов. Сжатие воздуха в двигателе происходит очень быстро, поэтому к концу такта сжатия воздух, находящийся в цилиндре дизельного двигателя, имеет очень высокую температуру (700 ? 900?С).

Поскольку физический процесс немного отличается от описанного ранее бензинового двигателя, в конструкции дизельного двигателя имеются некоторые отличия. Главное отличие в более высокой степени сжатия. У дизельного двигателя отсутствует свеча зажигания, вместо неё непосредственно в головку блока цилиндров вставлена топливная форсунка, разумеется, во впускном канале топливная форсунка отсутствует. В отличие от бензинового двигателя, в цилиндры которого во время такта всасывания поступает смесь бензина с воздухом, цилиндры дизельного воздуха поступает чистый воздух. При достижении поршнем ВМТ во время такта сжатия, в камере сгорания дизельного двигателя находится сжатый воздух, имеющий высокую температуру. И в то время, когда в бензиновом двигателе происходит воспламенение смеси при помощи электрической свечи, в камеру сгорания дизельного двигателя под большим давлением впрыскивается мелко распылённое дизельное топливо. Соприкасаясь с горячим воздухом, находящимся в камере сгорания, топливо воспламеняется.

Запомните основные отличия дизельного двигателя от бензинового.

1 – Топливо в дизельном двигателе воспламеняется не при помощи электрической искры, а за счёт контакта топлива с воздухом, имеющим высокую температуру.

2 – Регулировка крутящего момента и мощности двигателя осуществляется за счёт изменения качества, а не количества топливовоздушной смеси, поэтому в дизельном двигателе отсутствует дроссельная заслонка, регулирующая количество поступающего в цилиндры двигателя воздуха. То есть крутящий момент изменяется количеством впрыскивания топлива без изменения объёма всасываемого воздуха.

Не путайте дизельный двигатель с современными бензиновыми двигателями, с непосредственным впрыском. В этих двигателях топливная форсунка перенесена из впускного канала на головку двигателя, но не вместо свечи зажигания, а установлена совместно с ней. В этом случае топливная форсунка впрыскивает топливо непосредственно в цилиндр. Топливовоздушная смесь в таком двигателе воспламеняется не при помощи компрессионного зажигания, а при помощи электрической искры. А имеющаяся во впускном тракте дроссельная заслонка регулирует количество воздуха, поступающего в цилиндр.

Мы рассмотрели принципы работы простейшего одноцилиндрового двигателя, поняли, как возникает необходимая нам механическая энергия, но для простоты объяснения пришлось прибегнуть очень ко многим упрощениям. Например, клапаны открываются или закрываются не точно в ВМТ или НМТ. Свеча бензинового двигателя воспламеняет смесь или топливная форсунка дизельного двигателя нагнетает топливо в цилиндр не совсем точно при нахождении поршня в ВМТ. Да и двигатель, чаще всего имеет не один, а несколько цилиндров, от 1-го до 16, в автомобильной промышленности, а авиации или на флоте встречались двигатели, имеющие 64 цилиндра. Но основой любого двигателя является цилиндр.

Ранее были рассмотрены некоторые термины, имеющие отношение к цилиндру двигателя, теперь придётся их рассмотреть более подробно и познакомиться с некоторыми новыми.

1. Радиус кривошипа.

Расстояние между осями коренных и шатунных шеек коленчатого вала.
Коренными называются шейки коленчатого вала, в которых вал вращается в блоке цилиндров двигателя.
Шатунными называются шейки, к которым подсоединены шатуны поршней.
Для образования кривошипа ось коренных шеек смещена относительно оси шатунных шеек.
Радиус кривошипа является очень важным конструкционным параметром двигателя. Изменяя радиус кривошипа можно подобрать необходимое соотношение между крутящим моментом и максимальными оборотами двигателя, при неизменном объёме цилиндра.
(Обычно измеряется в миллиметрах)

2. Ход поршня:
Ход поршня, то есть расстояние между НМТ и ВМТ, равен удвоенной величине радиуса кривошипа.

3. Диаметр цилиндра:

Это диаметр внутреннего отверстия цилиндра. Условно принимаем, что диаметр поршня равен диаметру цилиндра.
(Обычно измеряется в миллиметрах)

4. Рабочий объём цилиндра:
Рабочим объёмом цилиндра называется объём, вытесняемый поршнем при перемещении от НМТ к ВМТ.
(Обычно измеряется в кубических сантиметрах (см?) или литрах.)
Рабочий объём цилиндра равен произведению хода поршня на площадь днища поршня.

5. Объём камеры сгорания.
Это объем пространства, находящегося над поршнем, во время нахождения поршня в ВМТ.
(Обычно измеряется в кубических сантиметрах.)
Камера сгорания большинства двигателей имеет сложную форму, поэтому определить её точный объём расчётным методом сложно. Для определения объёма камеры сгорания применяются различные методы прямого измерения.

6. Полный объём цилиндра.
Это сумма объёма камеры сгорания и рабочего объёма цилиндра.
(Обычно измеряется в кубических сантиметрах или литрах.)
Полный объём многоцилиндрового двигателя равен полному объёму одного цилиндра умноженному на количество цилиндров двигателя.

7. Степень сжатия.
Это соотношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания. Другими словами это соотношение объёма цилиндра в сумме с объёмом камеры сгорания, когда поршень находится НМТ к объёму пространства, расположенному над поршнем, когда поршень находится в положении ВМТ.
(Безразмерная единица)

8. Соотношение диаметра цилиндра к величине хода поршня:
Является очень важным параметром при конструировании двигателя внутреннего сгорания. Двигатели, в которых ход поршня больше диаметра цилиндра называются длиноходными, двигатели, в которых ход поршня меньше диаметра цилиндра, называются короткоходными.

Значение степени сжатия.

Степень сжатия это один из очень важных технических показателей двигателя внутреннего сгорания, поэтому рассмотрим его более подробно. В общем, повышение степени сжатия поднимает эффективность работы двигателя внутреннего сгорания, то есть при сгорании равного объёма топлива двигатель производит больше механической энергии. При повышенной степени сжатия молекулы топлива физически приближаются друг к другу. При этом топливовоздушная смесь имеет более высокую температуру, в результате чего достигается лучшее испарение частичек топлива и их более равномерное перемешивание с воздухом. Для каждого типа бензина имеется предельное значение степени сжатия. Чем выше октановое число бензина, тем выше степень сжатия, при которой может работать двигатель. При превышении допустимой степени сжатия и, соответственно температуры в камере сгорания, двигатель начинает работать с детонацией (самопроизвольное воспламенение смеси). Процесс детонации достаточно сложный, поэтому, на данном этапе, ограничимся пониманием, что причиной детонации является неправильное сгорание топливовоздушной смеси. При работе двигателя с детонацией резко уменьшается эффективность работы двигателя, и более того, возросшие ударные нагрузки могут привести к разрушению двигателя. Сильные стуки во время работы двигателя являются признаком детонации. Этот режим работы очень вреден для двигателя.

Современные электронные системы управления двигателем практически исключили работу двигателя с детонацией, но те, кому пришлось ездить на автомобилях с двигателями, не имеющих электронных систем управления, помнят, что режим детонации возникал довольно часто.

Раньше для повышения октанового числа бензина применялись специальные присадки на основе свинца. Применение этих присадок позволяло поднять степень сжатия до 12,5:1, но сейчас, в соответствии с законодательными нормами по охране окружающей среды, по причине того, что свинец наносит большой вред окружающей среде, применение присадок на основе свинца запрещено.

Степень сжатия современных бензиновых двигателей равна 10:1 ? 11:1. Величина степени сжатия может изменяться не только от качества предполагаемого к использованию бензина, но и от конструкции двигателя. Современные двигатели, имеющие систему управления двигателя с датчиком детонации, позволяют поднять степень сжатия до 13:1. Такие системы управления, регулируя угол опережения зажигания в каждом отдельном цилиндре, на основе информации, полученной от датчика детонации, позволяют двигателю работать на грани возникновения детонации, но не допускают её. Двигатели с непосредственным впрыском бензина в камеру сгорания из-за особенностей процессов, протекающих в цилиндре, тоже могут работать с повышенной степенью сжатия.

Поскольку воспламенение топлива в дизельных двигателях происходит за счёт нагрева воздуха, находящегося в цилиндре, степень сжатия дизельных двигателей выше, чем бензиновых. Степень сжатия дизельных двигателей лежит в диапазоне 14:1 ? 23:1.

Двигатели с принудительным нагнетанием воздуха в цилиндры (турбокомпрессор или механический нагнетатель), как бензиновые, так и дизельные, имеют более низкую степень сжатия по сравнению с атмосферными двигателями. Это вызвано тем, что перед началом такта сжатия в цилиндре находится большая масса воздуха (и топлива). Слишком высокое давление в цилиндре в конце такта сжатия может привести к разрушению двигателя.

Ранее отмечалось, что повышение степени сжатия явление, в целом, очень желательное, но в действительности всё несколько сложнее. Двигатель внутреннего сгорания, особенно автомобильный, постоянно работает на различных режимах скорости вращения и нагрузок. Научные исследования в данной области показали, что на некоторых режимах двигатель эффективней работает с более низкой степенью сжатия, а на других режимах степень сжатия может быть повышена без риска нанесения повреждений двигателю. Некоторые производители попытались создать двигатель с изменяемой во время работы степенью сжатия. Пионером в этой области, добившимся заметных результатов, был шведский производитель автомобилей SAAB. Работы в этом направлении проводились и другими производителями автомобилей. Но до настоящего времени серийные автомобили с изменяемой степенью сжатия на рынке отсутствуют. Очевидно, это будет следующим направлением повышения эффективности двигателя внутреннего сгорания.

Ранее были рассмотрены некоторые термины, определяющие геометрические показатели двигателя. Далее запомним некоторые термины, определяющие работу двигателя внутреннего сгорания, как простейшего одноцилиндрового, так более сложных двигателей.

  1. Мощность двигателя. Измеряется в киловаттах (кВт) или в старых, для некоторых более привычных единицах измерения, лошадиных силах (л.с.)
  2. Крутящий момент. Измеряется в ньютонах на метр (Н•м).
  3. Удельная литровая мощность. Измеряется отношением максимальной мощности двигателя к рабочему объёму цилиндров двигателя (кВт/литр)
  4. Удельная весовая мощность. Измеряется отношением максимальной мощности двигателя к весу двигателя (кВт/Кг).
  5. Топливная эффективность. Измеряется массой топлива, которое необходимо потратить на выработку мощности в один киловатт в течение часа (гр/кВт*час)
  6. Скорость вращения. В автомобилестроении, как и во многих других областях техники, скорость (частота) вращения коленчатого вала измеряется в оборотах в минуту (об/мин).

За прошедшие более чем сто лет с момента изобретения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) количество его конструкций было столь велико, что их не только описать невозможно, их просто никто даже перечислить не сможет, да и задачи такой, в общем, нет. Четко понимая общие принципы работы ДВС (кратко описанные в данной статье), можно разобраться в любой конструкции.

Е.Н. Жарцов

Работа одноцилиндрового четырехтактного двигателя

Устройство и принцип работы одноцилиндрового 4х-тактного двигателя

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания изучают в школе, но я все же опишу его.

Первый такт, впуск. Поршень идет вниз, клапан впуска открывается, и топливная смесь поступает из карбюратора в цилиндр. Когда поршень достигает нижнего положения, клапан впуска закрывается.

Второй такт, сжатие. Поршень идет вверх, топливная смесь сжимается. Кокда поршень находится в нескольких миллиметрах от верхней мертвой точки (ВМТ), свеча воспламеняет топливо, сжатое поршнем.

Третий такт, рабочий ход (расширение). После воспламенения горючего оно сгорает, горячие газы быстро расширяются, толкая поршень вниз (оба клапана закрыты).

Четвертый такт, выпуск. По инерции коленвал продолжает свое вращение (для равномерности вращения на коленвале установлены грузы — щеки коленвала), поршень идет наверх. Одновременно открывается выпускной клапан, и отработавшие газы выходят в выхлопную трубу. При достижениии поршнем ВМТ, выпускной клапан закрывается.

Далее повторяются все четыре такта.

Изобретатель 4-тактного двигателя внутреннего сгорания (как впрочем, и двухтактного) немец Николаус Август Отто (1832-1891). Поэтому ДВС иногда называют двигателем Отто.

Из соображений экономичности, все больше лодочных моторов оснащается четырехтактными двигателями. Хотя эти моторы при одинаковом объеме цилиндра уступают по мощности двухтактным, они обладают своими преимуществами:

-экономичность расхода топлива

-четырехтактный двигатель работает тише и устойчивей.

В отличие от двухтактного двигателя, в котором смазка коленвала, подшипников коленвала, компрессионных колец, поршня, пальца поршня и цилиндра осуществляется благодаря добавлению масла в топливо; коленвал четырехтакного двигателя находится в маслянной ванне. Благодаря этому Вам не надо смешивать бензин с маслом или доливать масло в специальный бачок (на моделях двухтактных лодочных моторов с раздельной системой смазки). Достаточно залить чистый бензин в топливный бак и можно ехать, при этом отпадает необходимость покупки специального масла для 2-тактных двигателей. Так же на зеркале поршня и стенках глушителя и выхлопной трубы образуется значительно меньше нагара. К тому же, в 2-тактном двигателе происходит выброс несгоревшей топливной смеси в воду, что объясняется его конструкцией.

На коленвале установлена ведущая звездочка, обеспечивающая (через цепь) вращение распределительного вала, находящегося в головке цилиндра. Этот вал определяет, когда должен быть открыт или закрыт один из двух клапанов (клапаны впуска и выпуска), в зависимости от положения поршня. На распредвале находятся кулачки, которые задействуют коромысла клапанов. (на схеме изображен распределительный вал)

Коромысла нажимают на тот или иной клапан, открывая его. Между регулировочным болтом коромысла и клапаном должен быть зазор, так называемый тепловой зазор. При нагревании металл расширяется, и если тепловой зазор мал или его нет совсем, то клапаны не будут плотно закрывать впускной или выпускной каналы, поэтому так важно регулировать зазор клапанов. Выхлопные газы горячее топливной смеси, и выпускной клапан нагревается (а следовательно и расширяется) больше, чем впускной. Этим объясняется разница зазоров на впускном и выпускном клапанах.

Рабочим циклом двигателя называется периодически повторяющийся ряд последовательных процессов, протекающих в каждом цилиндре двигателя и обусловливающих превращение тепловой энергии в механическую работу. Автомобильные двигатели чаще всего работают по четырёхтактному циклу, который совершается за два оборота коленчатого вала или четыре хода поршня и состоит из тактов впуска, сжатия, расширения и выпуска.

В карбюраторном четырёхтактном двигателе рабочий цикл происходит следующим образом.

Рабочий цикл карбюраторного двигателя:

— Такт сжатия
Поршень идёт из НМТ в ВМТ, сжимая рабочую смесь. При этом значительно возрастает температура смеси. Отношение рабочего объёма цилиндра в НМТ и объёма камеры сгорания в ВМТ называется степенью сжатия. Степень сжатия — очень важный параметр, обычно, чем она больше, тем больше топливная экономичность двигателя. Однако, для двигателя с большей степенью сжатия требуется топливо с большим октановым числом, которое дороже.
Такт расширения, или рабочий ход

Незадолго до конца цикла сжатия топливовоздушная смесь поджигается искрой от свечи зажигания. Во время пути поршня из ВМТ в НМТ топливо сгорает, и под действием тепла сгоревшего топлива рабочая смесь расширяется, толкая поршень. При расширении газы совершают полезную работу, поэтому ход поршня при этом такте коленчатого вала называют рабочим ходом. Степень «недоворота» коленчатого вала двигателя до ВМТ при поджигании смеси называется углом опережения зажигания. Опережение зажигания необходимо для того, чтобы сгорание топлива успело, полностью закончится к моменту достижения поршнем НМТ, то есть для наиболее эффективной работы двигателя. Сгорание топлива занимает практически фиксированное время, поэтому для повышения эффективности двигателя нужно увеличивать угол опережения зажигания при повышении оборотов. В старых двигателях эта регулировка производилась механическим устройством (центробежным и вакуумным регулятором, воздействующим на прерыватель). В современных двигателях для регулировки угла опережения зажигания используют электронику.

Гифка наглядно демонстрирует процесс работы четырехтактного двигателя

— Такт выпуска
После НМТ рабочего цикла открывается выпускной клапан, и движущийся вверх поршень вытесняет выхлопные газы из цилиндра двигателя. При достижении поршнем ВМТ выпускной клапан закрывается, и цикл начинается сначала.

Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания практически невозможно (слишком мало времени), поэтому при последующем впуске свежей горючей смеси она перемещается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью.

Коэффициент остаточных газов характеризует степень загрязнения свежего заряда отработавшими газами и представляет собой отношение массы продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре, к массе свежей горючей смеси. Для карбюраторных двигателей коэффициент остаточных газов находится в пределах 0,06-0,12.

По отношению к рабочему ходу такты впуска, сжатия и выпуска являются вспомогательными.

Рабочий цикл дизельного двигателя
Рабочие циклы четырёхтактного дизеля и карбюраторного двигателя существенно различаются по способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси. Основное отличие состоит в том, что в цилиндр дизеля при такте впуска поступает не горючая смесь, а воздух, который из–за большой степени сжатия нагревается до высокой температуры, а затем в него впрыскивается мелкораспыленное топливо, которое под действием высокой температуры воздуха самовоспламеняется.

Читайте также

В четырёхтактном дизеле рабочие процессы происходят следующим образом.

Поршень движется от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты, вследствие этого перемещающийся вверх поршень сжимает имеющийся в цилиндре воздух. Для воспламенения топлива необходимо, чтобы температура сжатого воздуха была выше температуры самовоспламенения топлива.

— Такт расширения, или рабочий ход
При подходе поршня к ВМТ в цилиндр через форсунку впрыскивается дизельное топливо, подаваемое топливным насосом высокого давления (ТНВД). Впрыснутое топливо, перемешиваясь с нагретым воздухом, самовоспламеняется и начинается процесс сгорания, характеризующийся быстрым повышением температуры и давления. Под действием давления газов поршень перемещается от ВМТ к НМТ. Происходит рабочий ход.

— Такт выпуска
Поршень перемещается от НМТ к ВМТ и через открытый выпускной клапан отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. После окончания такта выпуска при дальнейшем вращении коленчатого вала рабочий цикл повторяется в той же последовательности.

На этом видео показана работа реального двигателя. Камера встроена в цилиндр блока.

Недостатки четырёхтактных двигателей:

Все холостые ходы (впуск, сжатие, выпуск) совершаются за счёт кинетической энергии, запасённой кривошипно шатунным механизмом и связанными с ним деталями во время рабочего хода, в процессе которого химическая энергия топлива превращается в механическую энергию движущихся частей двигателя. Поскольку сгорание происходит в доли секунд, то оно сопровождается быстрым увеличением нагрузки на крышку (головку) цилиндра, поршень и другие детали двигателя внутреннего сгорания. Наличие такой нагрузки неизбежно приводит к необходимости увеличить массу движущихся деталей (для повышения прочности), что в свою очередь сопровождается ростом инерционных нагрузок на движущиеся детали.

Уступают по мощности двухтактным.

Преимущества четырёхтактных двигателей:

В отличие от двухтактного двигателя, в котором смазка коленвала, подшипников коленвала, компрессионных колец, поршня, пальца поршня и цилиндра осуществляется благодаря добавлению масла в топливо; коленвал четырехтактного двигателя находится в масляной ванне. Благодаря этому нет необходимости смешивать бензин с маслом или доливать масло в специальный бачок. Достаточно залить чистый бензин в топливный бак и можно ехать, при этом отпадает необходимость покупки специального масла для 2-тактных двигателей.

Так же на зеркале поршня и стенках глушителя и выхлопной трубы образуется значительно меньше нагара. К тому же, в 2-тактном двигателе происходит выброс топливной смеси в выхлопную трубу, что объясняется его конструкцией.

Двигатели внутреннего сгорания должны были заменить промышленную паровую машину. Однако энтузиасты, которые работали над созданием мотора, смогли ощутить потенциал, который заложен в него. Изобретателям удалось отыскать способы, которые позволили в значительных пределах увеличить мощность агрегата без существенного увеличения массы. Так, Николаус Отто сыграл одну из главных ролей в этом проекте.

Как Отто двигатель разрабатывал

Агрегат, изобретенный ученым по имени Альфонс Бо де Роша, а затем построенный немецким инженером Николаусом Отто в 1867 году, в те годы считался максимумом технологичности и практически совершенством. Аналогов для него просто не существовало. Мотор был очень недорогим в эксплуатации, имел компактные размеры, а также ему не нужно было частое обслуживание.

Работа четырехтактного двигателя была построена по четкому алгоритму. Сегодня его называют «циклом Отто». В 1875 г. Николаус Отто в своей компании выпускал больше, чем 600 двигателей за год.

От четырехтактного ДВС до автомобиля

В команде инженеров, которые работали над созданием агрегата, был один талантливый парень – Готлиб Даймлер.

Он тогда горел идеей создания на базе этого мотора настоящего автомобиля. Но Отто не желал модернизировать уже имевшийся успешный мотор. Даймлер был вынужден уйти из проекта, но желание построить автомобиль никуда не делось.

В итоге вместе со своим другом и единомышленником в 1889 году Даймлер таки собирает автомобиль, в основе которого лежит бензиновый четырехтактный двигатель, функционирующий по алгоритму Отто.

Отличие 4-тактного двигателя от 2-тактного

Цикл работы ДВС – это несколько процессов, которые направлены на получение порции силы, которая будет воздействовать на коленвал. Цикл этот состоит из впрыска топлива, сжатия, зажигания топливной смеси, расширения газов, выпуска.

Такт в двигателе внутреннего сгорания – это один ход поршня либо вверх, либо вниз. В двухтактном моторе за один оборот коленвала совершается два такта. Когда газы расширяются, поршень совершает полезную работу.

Агрегаты, где рабочий ход происходит в два такта, называют двухтактными. А если за два оборота коленчатого вала совершается четыре такта, то это уже четырехтактный двигатель.

И те, и другие могут быть как бензиновыми, так и для дизельного топлива. Чтобы понять особенности конструкции и эксплуатации, различия между разными моторами, нужно рассмотреть принципы их работы.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Главное отличие 4-тактного ДВС от 2-тактного — в работе газораспределения.

Такт впуска

На первом такте осуществляется впуск. В этот самый момент поршень начинает свое движение вниз из своей верхней мертвой точки. В цилиндре вследствие этого создается разряжение. Тем временем открывается впускной клапан. Топливная смесь всасывается в полость цилиндра. Когда поршень достигает своего крайнего нижнего положения, клапан впуска закрыватся и впускная фаза полностью завершается.

Сжатие топливной смеси

Это второй такт. Здесь поршень движется вверх, а клапаны полностью закрыты. В этот момент топливно-воздушная смесь сжимается, тем самым нагреваясь. Это нужно для более эффективного сгорания смеси.

Рабочий ход поршня

Поршень не доходит до своего крайнего верхнего положения. В бензиновых агрегатах – от свечи, а в дизельных – от сжатия топливная смесь загорается. Газы от сгорания очень резко расширяются, сила воздействует на поршень, и он идет вниз. Так четырехтактный двигатель совершает работу.

Выпуск отработанных газов

После того как поршень совершил свою полезную работу, он находится в крайнем нижнем положении. Теперь нужно удалить из полости цилиндра отработанные газы. Это выполняется через выпускной клапан. Газы выталкиваются из цилиндра в тот момент, когда поршень идет вверх.

Такты в дизельных ДВС

Порядок или алгоритм в дизельных двигателях отличается только тем, что в момент сжатия в полость цилиндра подается лишь воздух. Дизельное топливо подается в камеру только в конце такта сжатия топлива при помощи форсунок.

Отличия двухтактного и четырехтактного двигателя

Среди основных отличий, как уже говорилось, выделяется разная система газообмена.

В двухтактном же моторе и процесс заполнения камеры сгорания, и ее очистка осуществляются вместе с тактом сжатия и расширения. Для этого в цилиндре имеются специальные технологические отверстия для впуска смеси и выброса газов. В агрегатах с такой конструкцией нет механизма ГРМ, что делает эти моторы гораздо проще и легче.

Одноцилиндровый четырехтактный двигатель

Моторы этой конструкции очень распространены. Их можно найти не только в автомобилях, но и в мотоциклах, скутерах, тракторах, мотоблоках. В Китае производят литровые двигатели, которые используются для работы с мотоблоками.

Одно из главных достоинств таких ДВС — это очень маленькое отношение площади камеры сгорания к объему. Это дает минимальные потери тепловой энергии. КПД в таких двигателях очень высокий.

Устройство аналогично многоцилиндровым двигателям. Ничего нового здесь нет.

Этот четырехтактный двигатель предназначен для применения в утилитарных мотоциклах, мопедах, скутерах.

Капризы одноцилиндровых моторов

Во время работы двигателя создаются очень высокие температуры. Детали, которые работают в парах трения, должны периодически охлаждаться и хорошо смазываться. Зазоры между узлами нужно промывать, чтобы удалить продукты износа. Также хорошее масло отлично отводит тепло от поверхностей, которые работают наиболее интенсивно.

Также нужно позаботиться о хорошей дополнительной системе охлаждения. В мотоциклах и скутерах охлаждение зачастую воздушное.

Четырехтактники на мотоциклах

Да, эти моторы очень популярны среди производителей хороших, серьезных мотоциклов. Основное отличие – это дизайн. Если в автомобилях двигатель спрятан под капотом и дизайн его особо не разрабатывали, то в мире мотоциклов внешний вид силового агрегата имеет серьезное значение.

Вот уже более 15 лет в моде двухцилиндровый четырехтактный двигатель мотоцикла, представленный сегодня множеством моделей с самым разным объемом. Отличить такие двигатели можно по характерному звуку.

Однако среди мотоциклистов особой популярностью пользуются рядные четырехцилиндровые агрегаты. Эти моторы лишь немного опережают автомобильные ДВС. К примеру, схема на четырех клапанах лишь недавно получила признание в строительстве автомобилей. А на мотоциклах она использовалась еще с 70-х.

Для мотоцикла четырехтактник является более актуальным. Так, эти ДВС более экономичны, эффективны, экологичны, чем двухтактные агрегаты. Это – преимущества данных двигателей на мотоциклах. Также двигатели для мотоциклов сделаны таким образом, чтобы работать на высоких оборотах. Максимальная мощность выдается на оборотах до 14-16 тысяч на современных моделях.

Новые технологии по старому принципу

С того самого момента, как изобрели четырехтактный двигатель, он постоянно совершенствовался.

Произошли изменения и в системе питания. Современные моторы больше не используют карбюратор – везде инжекторы и электроника.

Чтобы улучшить наполняемость камер сгорания воздухом, применяют системы наддува. Это позволяет увеличить мощность при малом объеме, а также снизить расход топлива.

Но при всем этом принцип действия ДВС остается все тем же, каким и был.

Четыре такта: недостатки и достоинства

Основной и «жирный» плюс таких агрегатов – это экономичность. К тому же они не слишком шумные.

Еще одно преимущество — это, конечно же, высокая надежность. Ресурс может доходить до миллиона километров, и это далеко не предел. Ремонт четырехтактного двигателя нужно делать не так часто.

Среди недостатков – сложная конструкция, дорогое производство, требовательность в эксплуатации. Этим агрегатам обязательно нужно качественное топливо и масло. Осуществить ремонт самостоятельно практически невозможно.

Чтобы с этими моторами никогда не было проблем, «кормите» их только качественным бензином. И тогда они будут работать долго, надежно и исправно. Конструкция, которая столько лет не меняется, – это показатель надежности и эффективности.

«>

Oдноцилиндровый ДВС

Описание устройства простейшего двигателя

Чтобы сразу не смущать сложными терминами и громоздкими определениями, сначала рассмотрим простейший одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания (ДВС), работающий на бензине, устройство которого представлено на рисунке 4.1.

Состоит этот двигатель из блока с цилиндрическим отверстием внутри – гильзой цилиндра. В гильзе находится поршень, соединенный через шатун с коленчатым валом. Коленчатый вал, в свою очередь, связан с распределительным валом через цепь (эта связь постоянна и передаточное отношение (О том, что такое «передаточное отношение», будет рассказано в главе 5 «Трансмиссия») составляет 1 к 2, то есть распределительный вал делает один оборот за два оборота коленчатого вала).

Одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания
Рисунок 4.1 Одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания.

Разрез бензинового двигателя внутреннего сгорания
Рисунок 4.2 Разрез бензинового двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель внутреннего сгорания с воздушным охлаждением
Рисунок 4.4 Двигатель внутреннего сгорания с воздушным охлаждением.

Распределительный вал вместе с клапанами расположен в головке блока цилиндров, которая установлена соответственно на блок цилиндров.

Теперь разложим все по частям.

Блок цилиндра — литая деталь из чугуна или из алюминиевого сплава. Блок цилиндров образует картер. По сути, это корпус, внутри которого находятся основные элементы кривошипно-шатунного механизма (о котором речь пойдет ниже). Этот корпус имеет двойные стенки (именуемые рубашкой блока). В полостях между стенками течет охлаждающая жидкость, если двигатель с жидкостным охлаждением. Если двигатель с воздушным охлаждением, то блок имеет одну стенку с многочисленными ребрами для отвода тепла, как показано на рисунке 4.3.

В блоке имеются гильза и масляные каналы для подвода смазки к трущимся деталям. Рабочая поверхность гильзы, с которой соприкасается поршень, называется зеркалом цилиндра.

Поршень имеет вид перевернутого стакана, обычно отлит из алюминиевого сплава. В цилиндр поршень устанавливается с очень небольшим зазором (обычно сотые доли миллиметра). Чтобы газы, образовавшиеся при сгорании топлива, через этот зазор не прорвались в картер блока цилиндров, поршень уплотнен кольцами. Обычно устанавливают два компрессионных кольца (они воспринимают основную нагрузку при перемещении поршня) и одно маслосъемное (оно состоит из нескольких элементов), необходимое для снятия со стенок цилиндра моторного масла. Поршень, шарнирно, то есть через палец соединен с верхней головкой шатуна, а шатун, в свою очередь, шарнирно соединен с коленчатым валом. Шатун вместе с коленчатым валом и называют кривошипно-шатунным механизмом. Благодаря шатуну поступательное движение поршня вверх и вниз преобразуется во вращательное движение коленчатого вала.

Примечание
Уважаемый читатель может подумать, что пропустил целый раздел, ведь на рисунке 4.1 отсутствует и палец, и верхняя головка шатуна, но это не так — вышеприведенное описание дано для общего представления о двигателе внутреннего сгорания, а вот устройство каждого из элементов подробно рассмотрено в разделе 4.7 «Блок цилиндров и кривошипно-шатунный механизм».

Головка блока цилиндра — по сути, это корпус (обычно из алюминиевого сплава), в котором, в зависимости от конструкции (Слова «в зависимости от конструкции» означают, что не всегда распределительный вал или валы располагают в головке блока. Об этом подробнее будет рассказано в главе 4.6 «Головка блока цилиндров»), находится распределительный вал (или валы), а также клапаны – впускной и выпускной. Распределительный вал и клапаны называют газораспределительным механизмом (ГРМ). Распределительный вал необходим для своевременного открытия впускных и выпускных клапанов. Клапаны плотно прилегают к головке блока цилиндра и прижимаются с помощью клапанных пружин.

Вот и весь четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Сложного ничего нет.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Четырехтактным двигатель называется потому, что полный рабочий процесс разбит на четыре промежутка – такта. Из этих тактов только один рабочий, то есть тот, во время которого происходит перемещение поршня под действием газов, выделяющихся при сгорании топливовоздушной смеси. Каждый такт приходится (приблизительно) на один полуоборот коленчатого вала.

Примечание
Верхняя мертвая точка (ВМТ) — крайнее положение поршня в верхней части цилиндра.
Нижняя мертвая точка (НМТ) — крайнее положение поршня в нижней части цилиндра.
Расстояние от ВМТ до НМТ называется ходом поршня.

Наверняка, у каждого в детстве был велосипед. И, если спускала шина, то ее необходимо было подкачать насосом. Так вот, хотя и отдаленно, но этот насос для накачивания шин напоминает нам наш одноцилиндровый двигатель. Внутри цилиндрического корпуса насоса тоже есть клапаны и так же двигается поршень. Когда вы тяните ручку поршня на себя, через клапан в корпусе всасывается воздух, когда двигаете поршень вниз — клапан на впуске закрывается и воздух выходит через клапан на выпуске в трубку, попадая в шину колеса велосипеда. Теперь мысленно представим перевернутый насос, у которого мы начали перемещать поршень вниз, набирая при этом внутрь корпуса воздух, так же мысленно закрываем выпускное отверстие, например, пальцем, и начинаем перемещать поршень насоса вверх – воздух при этом начнет сжиматься, так как деваться ему некуда. Доведя поршень насоса до упора, мы возьми и подожги засыпанный до начала этого действа порох в корпусе. Сгорая, этот порох будет выделять большое количество газа, который, в свою очередь, повысит давление внутри корпуса и начнет перемещать поршень, только уже без нашего участия – самостоятельно. Когда порох полностью выгорит, а поршень дойдет до самой нижней точки, мы откроем выпускное отверстие, и начнем снова перемещать поршень вверх, выталкивая из корпуса насоса уже отработавшие свое газы. Вытолкнув продукты горения наружу, мы снова закрываем пальцем выпускное отверстие насоса и начинаем повторять все вышеперечисленное в той же последовательности. Вот так же приблизительно работает любой четырехтактный бензиновый двигатель. Поместите корпус насоса в блок, клапаны установите в головку, которую в свою очередь смонтируйте на блок, а поршень соедините через шатун с коленвалом и получите наш простейший одноцилиндровый двигатель.

Есть такое понятие, как «рабочий цикл». Это совокупность процессов, происходящих последовательно в цилиндре двигателя при вращении коленчатого вала на два полных оборота (720o). Рабочий цикл состоит из тактов.

Примечание
Читая далее описание процессов, вспомните о насосе, который был описан перед этим.

Собственно, ничего сложного. Практически все четырехтактные двигатели внутреннего сгорания, использующие в качестве топлива бензин, работают по такому принципу.

Первый такт. Впуск воздуха, смешанного с топливом

Первый такт - Впуск воздуха, смешанного с топливом

Коленвал, вращаясь, перемещает поршень вниз из ВМТ. В этот момент открыт впускной клапан, через него в цилиндр всасывается воздух вперемешку с распыленным топливом (в виде очень мелких капелек). Далее поршень достигает НМТ, впускной клапан закрывается

Второй такт. Сжатие

Второй такт - Сжатие

Коленвал продолжает вращаться, а поршень начинает от НМТ перемещаться вверх, сжимая при этом топливовоздушную смесь, дополнительно более тщательно смешивая топливо с воздухом, чтобы смесь была максимально однородная. Оба клапана закрыты

Третий такт. Рабочий ход

Третий такт - Рабочий ход

Поршень в ВМТ, в камере сгорания сжатая и нагретая до высокой температуры смесь, в этот момент возникает разряд между электродами свечи, который поджигает топливо. Сгорая, топливовоздушная смесь выделяет газы, которые, к слову, разогреты до 800 градусов Цельсия, создается высокое давление, под действием которого поршень перемещается вниз, толкая коленчатый вал. Весь процесс протекает до НМТ

Четвертый такт. Выпуск

Четвертый такт - Выпуск

Газы свое дело сделали, теперь от них необходимо избавиться, чтобы подготовить цилиндр для следующей порции топливовоздушной смеси. После НМТ, открывается выпускной клапан, поршень под действием силы инерции поднимается вверх, выталкивая отработанные газы. После того, как поршень достигнет ВМТ и будут удалены все отработанные газы, весь процесс повторится заново.

Одноцилиндровый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к одноцилиндровым четырехтактным двигателям внутреннего сгорания (ДВС) малой мощности, используемым в качестве силовых агрегатов малогабаритной сельскохозяйственной техники и транспортных средств. Задачей, решаемой изобретением, является уменьшение габаритов, упрощение конструкции и улучшение пусковых характеристик двигателя. Одноцилиндровый четырехтактный ДВС содержит головку 1 цилиндра, впускной клапан 2, с коромыслом 3, закрытые крышкой 4. В боковой стенке крышки 4 установлен валик 5, на конце которого жестко закреплен рычаг 6, связанный с возвратной пружиной 7, другим концом закрепленной в кронштейне 8. Свободный конец валика 5 расположен над плечом коромысла 3, обращенном к впускному клапану 2, и выполнен в виде полуцилиндра 10 со срезом. Срез выполнен параллельно оси полуцилиндра и перпендикулярно его диаметральной плоскости. Ширина среза выбрана равной (0,15 — 0,2)d, где d — диаметр валика. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к одноцилиндровым четырехтактным двигателям внутреннего сгорания малой мощности с пуском от троса или кик-стартером, которые могут быть использованы в качестве силовых агрегатов малогабаритной сельскохозяйственной техники и транспортных средств.

Известен двигатель внутреннего сгорания, оснащенный декомпрессором, служащим для облегчения проворачивания при пуске ДВС, содержащий валик с эксцентриком на конце. Эксцентрик действует на коромысло выпускного клапана и приоткрывает клапан в момент сжатия. Валик установлен в крышке механизма привода клапанов, имеет приводной рычаг и возвратную пружину (см. заявку Японии N 54-77299 от 19.06.79 г., МКИ3 F 01 L 13/08). Недостаток данного декомпрессора состоит в том, что эксцентрик воздействует на выпускной клапан. Это приводит к тому, что, во-первых, на такте впуска при открытом выпускном клапане из выпускной системы засасываются в цилиндр отработавшие газы, а, во-вторых, требуется больший момент для прокручивания коленчатого вала, так как декомпрессор отключается в начале такта выпуска и поэтому возрастает гидравлическое сопротивление в конце выпуска и в начале следующего такта впуска из-за малых проходных сечений клапанов, при этом также уменьшается наполнение цилиндра. Кроме того, использование эксцентрика требует поворота приводного рычага на угол 180o, что усложняет конструкцию дистанционного управления декомпрессором. Наиболее близким к заявленному является одноцилиндровый ДВС малой мощности с пуском от троса или кик-стартера, оснащенный полуавтоматическим устройством, содержащим жестко соединенные между собой рычаг, ось, эксцентрик и возвратную пружину. Устройство удерживает выпускной клапан в положении частичного открытия в течение первого оборота в режиме прокручивания. Перед пуском, когда поршень находится в начале такта сжатия, рычаг и связанный с ним эксцентрик поворачивают на некоторый угол, в результате чего эксцентрик, нажимая на конец коромысла, удерживает выпускной клапан в приоткрытом положении. После того как коленчатый вал ДВС совершит один оборот, в начале такта выпуска штанга через коромысло полностью откроет выпускной клапан и освободит эксцентрик, который под действием возвратной пружины повернется в исходное положение, исключающее контакт с коромыслом (см. заявку Японии N 59-74318, F 01 L 13 /08, F 02 N 3/02, опубл. 26.04.84 г.). Данное полуавтоматическое устройство, принятое за прототип, имеет те же недостатки : требуется большее усилие для прокручивания коленчатого вала, снижается наполнение цилиндра, применение эксцентрика требует поворота приводного рычага на угол 180o или эксцентрик должен иметь большой эксцентриситет, что увеличивает габариты двигателя. Кроме того, данное устройство требует установки поршня перед пуском в начало такта сжатия, что ухудшает пусковые характеристики и усложняет дистанционное управление двигателем. Указанные недостатки существенно ухудшают пусковые характеристики дизелей, имеющих высокую степень сжатия. Задачами, решаемыми изобретением, являются уменьшение габаритов и упрощение конструкции двигателя и улучшение его пусковых характеристик. Поставленная задача решается тем, что в известном одноцилиндровом четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, содержащем головку цилиндра, клапаны с коромыслами, закрытые крышкой, установленный в боковой стенке крышки валик, на выходящем из крышки конце которого жестко закреплен приводной рычаг с возвратной пружиной, а другой конец валика расположен над концом коромысла, обращенным к впускному клапану с возможностью воздействия на коромысло, и выполнен в виде полуцилиндра. Кроме того, указанная задача решается также тем, что полуцилиндр выполнен со срезом, параллельным оси полуцилиндра и перпендикулярным его диаметральной плоскости, причем ширина среза составляет (0,15- 0,2)d, где d — диаметр валика. Такое выполнение ДВС обеспечивает приоткрытие при пуске впускного клапана, которое снижает момент прокручивания двигателя, улучшает наполнение цилиндра и устраняет зависимость пуска от положения коленчатого вала перед пуском. Выполнение конца валика, воздействующего на коромысло, в виде полуцилиндра позволяет уменьшить диаметр валика, а также уменьшить угол его поворота для открытия клапана до 90o, что, в свою очередь, упрощает конструкцию дистанционного привода. Выполнение среза на полуцилиндрическом конце валика обеспечивает его надежную фиксацию при нажатии на коромысло и, следовательно, повышает вероятность запуска двигателя. На фиг.1 дан вид на головку цилиндра с устройством для облегчения пуска двигателя. На фиг.2 — вид «А» фиг. 1. На фиг.3 — сечение Б-Б фиг. 1 при выключенном устройстве для облегчения пуска. На фиг. 4 — сечение Б-Б фиг.1 при включенном устройстве для облегчения пуска. На фиг.5 показан полуцилиндр в разрезе. Одноцилиндровый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит головку 1 цилиндра, впускной клапан 2 с коромыслом 3, закрытым крышкой 4, в боковой стенке которой установлен валик 5. На конце валика, выходящем из крышки, жестко закреплен рычаг 6, возвратная пружина 7 одним концом закреплена в рычаге 6, а другим — в кронштейне 8, привернутом к крышке 4. Рычаг 6 тросом 9 связан с ручкой управления. Другой конец валика 5 расположен над плечом коромысла 3, обращенном к впускному клапану 2, и выполнен в виде полуцилиндра 10, имеющего срез 11, параллельный оси полуцилиндра и перпендикулярный его диаметральной плоскости 12. Двигатель также содержит выпускной клапан 13 с коромыслом 14. Ширина среза 11 выполнена равной 0,15-0,2 диаметра валика 5 во избежание самопроизвольного поворота последнего. Работает двигатель следующим образом. Если полуцилиндрический конец 10 валика 5 сориентирован так, что его диаметральная плоскость 12 параллельна поверхности конца коромысла 3, над которым он расположен, то между ними имеется зазор, и пусковое устройство не воздействует на впускной клапан 2, что исключает разгерметизацию цилиндра. В этом случае двигатель работает в обычном режиме. Перед пуском двигателя рычаг 6 с помощью троса 9 поворачивают на угол 90o. При этом валик 5 также поворачивается на угол 90o и его конец, выполненный в виде полуцилиндра 10, нажимает цилиндрической поверхностью на плечо коромысла 3, которое, в свою очередь, перемещает впускной клапан 2 вниз, открывая его проходное сечение. Для запуска двигателя коленчатый вал прокручивают с помощью троса вручную или кик-стартером. При этом в начальный период вращения момент сопротивления вращению небольшой из-за отсутствия сжатия в цилиндре и поэтому скорость коленчатого вала возрастает, что приводит к увеличению кинетической энергии всех движущихся элементов двигателя до уровня, достаточного для сжатия и воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндре. В процессе прокручивания в начале такта впуска после того, как штанга толкателя повернет коромысло впускного клапана и освободит конец 10 валика 5, последний под действием возвратной пружины 7 повернется на угол 90o в противоположном направлении, а диаметральная плоскость 12 полуцилиндра 10 займет положение, параллельное поверхности плеча коромысла, и декомпрессионный механизм выключится из работы. Для надежной работы пускового устройства необходимо, чтобы полуцилиндрический конец валика занимал одинаковое и устойчивое положение при нажатии на плечо коромысла. Для чего на полуцилиндре 10 выполнен срез 11, параллельный его оси и перпендикулярный диаметральной плоскости 12, которым полуцилиндр опирается на поверхность коромысла. Проведенные испытания опытного двигателя показали, что для исключения самопроизвольного поворота валика 5 ширина этого среза должна составлять 0,15-0,2 от диаметра валика.

Формула изобретения

1. Одноцилиндровый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий головку цилиндра, клапаны с коромыслами, закрытые крышкой, установленный в боковой стенке крышки валик, на выходящем из крышки конце которого жестко закреплен приводной рычаг с возвратной пружиной, а другой конец валика расположен внутри крышки над плечом коромысла, обращенным к клапану с возможностью воздействия на коромысло, отличающийся тем, что конец валика, расположенный над коромыслом впускного клапана, выполнен в виде поллуцилиндра. 2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что полуцилиндр валика выполнен со срезом, параллельным его оси и перпендикулярным диаметральной плоскости, причем ширина среза составляет (0,15 — 0,2)d, где d — диаметр валика.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

NF4A Восстановление действия патента Российской Федерации на изобретение

Извещение опубликовано: 20.08.2005        БИ: 23/2005

QZ4A — Регистрация изменений (дополнений) лицензионного договора на использование изобретения

Лицензиар(ы): Дронов Евгений Анатольевич, Эфрос Виктор Валентинович, Бессонов Анатолий Николаевич, Платонов Николай Львович, Белов Владимир Владимирович, Плешанов Альберт Александрович, Панов Виктор Васильевич

Вид лицензии*: ИЛ

Лицензиат(ы): Открытое акционерное общество «Акционерная Компания «Туламашзавод»

Характер внесенных изменений (дополнений):Уточнен размер лицензионного вознаграждения

Дата и номер государственной регистрации договора, в который внесены изменения: 07.09.2006 № РД0011892

Извещение опубликовано: 20.09.2010        БИ: 26/2010

* ИЛ — исключительная лицензия НИЛ — неисключительная лицензия


1.2. Механизмы двухцилиндрового четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания (рис. 1.2, табл. 1.2)

На поршни 3 и 5 действуют силы давления газов Р3 и Р5 в соответствии с циклограммой двигателя, изображённой на рис. 1.2, в. Индикаторные диаграммы сил давления газов на поршень 3 и поршень 5 одинаковы (рис. 1.2, б).

Рисунок 1.2 — Механизмы двухцилиндрового четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания:

а) — схема рычажного механизма двухцилиндрового четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания;

б) — индикаторная диаграмма двигателя;

в) — циклограмма двигателя;

г) — структурная схема кулачкового механизма;

д) — вид диаграммы аналога ускорений толкателя кулачкового механизма;

е) — схема планетарной передачи.

Таблица 1.2 — Исходные данные для исследования механизма двухцилиндрового четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания

Исходные

данные

Варианты числовых значений

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Параметры рычажного механизма

lOA = lOC , мм

40

45

50

55

60

40

45

50

55

60

lAB = lCD , мм

150

160

180

200

220

160

180

200

220

240

lAS2 = lCS4 , мм

50

55

60

65

75

60

65

70

75

80

ω1, рад/с

500

475

450

425

400

525

500

475

450

425

m1 , кг

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

m2 = m4 , кг

0,30

0,32

0,36

0,38

0,40

0,34

0,38

0,42

0,44

0,48

m3 = m5 , кг

0,32

0,36

0,40

0,42

0,44

0,38

0,42

0,44

0,46

0,50

JS2 , кг·м2

JS2 = 0,17·m2·l2AB

JS4 , кг·м2

JS4 = 0,17·m4·l2CD

d3 = d5, мм

60

65

70

75

80

65

70

75

80

85

Рi max , МПа

2,8

3,0

3,2

3,4

3,6

2,9

3,1

3,3

3,5

3,7

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о