Как устроен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания и почему он так популярен
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания - настоящее чудо инженерной мысли, без которого невозможно представить современный мир. Давайте разберемся, как устроен этот удивительный механизм и почему он стал настолько популярен.
История создания четырехтактного ДВС
Первые попытки создания двигателя внутреннего сгорания предпринимались еще в XVIII веке. В 1791 году английский изобретатель Джон Барбер запатентовал газовый двигатель, работающий по принципу взрыва горючей смеси в замкнутом цилиндре. Однако практического применения это изобретение не нашло.
Настоящий прорыв произошел в 1860 году, когда французский инженер Этьен Ленуар создал двухтактный газовый двигатель, который уже использовался в промышленности. А год спустя другой французский инженер Альфонс Бо де Роша запатентовал четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.
В 1861 году Альфонс Бо де Роша запатентовал четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.
Однако по-настоящему работоспособный четырехтактный двигатель был создан лишь в 1876 году немецким инженером Николаусом Отто. Именно его четырехтактный бензиновый двигатель с искровым зажиганием лег в основу конструкций, которые массово выпускаются и по сей день.
Принцип работы четырехтактного ДВС
В чем же заключается принцип работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания? Как уже говорит само название, в нем происходит четыре такта на каждые два оборота коленчатого вала:
- Впуск
- Сжатие
- Рабочий ход
- Выпуск
Рассмотрим подробнее, что происходит в каждом из этих тактов.
1. Впуск
На такте впуска поршень движется вниз, открывая впускной клапан. Через него в цилиндр поступает топливная смесь - бензин с воздухом.
2. Сжатие
Затем поршень движется вверх, сжимая топливную смесь. Оба клапана при этом закрыты. Сжатие продолжается до тех пор, пока смесь не займет лишь небольшой объем над поршнем.
3. Рабочий ход
На этом такте происходит воспламенение сжатой топливной смеси с помощью электрической искры. Резко расширяющиеся газы выталкивают поршень вниз, совершая полезную работу.
4. Выпуск
Когда поршень доходит до нижней точки, открывается выпускной клапан. Через него продукты сгорания выбрасываются в атмосферу. Затем цикл повторяется.
Как видно, в отличие от двухтактного двигателя, в четырехтактном процессы впуска и выпуска разделены. Это позволяет избежать потерь топлива и делает двигатель более экономичным.
Устройство четырехтактного ДВС
Рассмотрим теперь основные элементы конструкции четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
Блок цилиндров
Блок цилиндров - основная несущая часть двигателя. В нем размещаются цилиндры, в которых перемещаются поршни. Блок обычно отливается из чугуна или алюминиевого сплава.
Коленчатый вал
Коленчатый вал преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение маховика. Он расположен в нижней части блока цилиндров.
Поршни
Поршни совершают возвратно-поступательные движения внутри цилиндров. Они передают силу от расширяющихся газов на коленчатый вал через шатуны.
Шатуны
Шатуны соединяют поршни с коленчатым валом, преобразуя возвратно-поступательное движение поршней во вращательное движение коленвала.
Клапаны
Клапаны открывают и закрывают впускные и выпускные окна в головке цилиндров. Впускные клапаны больше по размеру, чтобы обеспечить лучшее наполнение цилиндров.
Головка блока цилиндров
В головке блока располагаются впускные и выпускные клапаны, а также свечи зажигания в бензиновых двигателях или форсунки в дизелях.
Камера сгорания
Камера сгорания находится между головкой блока и поршнем. В ней происходит воспламенение топливной смеси, приводящее к расширению газов.
Кроме перечисленных элементов, в конструкцию двигателя входят система охлаждения, система смазки, система зажигания и другие узлы.
Благодаря продуманной конструкции и разделению тактов, четырехтактный двигатель демонстрирует высокую надежность и долговечность. Это и объясняет его популярность в самых разных областях.
Система охлаждения четырехтактного ДВС
Для нормальной работы двигатель должен поддерживать оптимальный температурный режим. Для этого используется система охлаждения, отводящая излишнее тепло от нагретых деталей.
Воздушное охлаждение
Простейший вариант - воздушное охлаждение. Цилиндры и головка блока снабжаются ребрами охлаждения. Через них проходит поток воздуха, отводя тепло. Недостатком является зависимость от скорости движения.
Жидкостное охлаждение
Более эффективно жидкостное охлаждение. В рубашках цилиндров и головки циркулирует жидкость, переносящая тепло к радиатору. Преимущества - высокая теплоемкость и равномерный теплоотвод.
Система смазки четырехтактного ДВС
Система смазки подает масло к трущимся деталям двигателя. Это уменьшает трение, отводит тепло и удаляет продукты износа.
Масло забирается из картера насосом и под давлением подается к местам смазки через масляные каналы и форсунки. Излишки масла стекают обратно в картер.
Масляный фильтр
В системе устанавливаются фильтры для очистки масла от механических примесей и продуктов окисления. Своевременная замена фильтров важна для надежной работы.
Масляный радиатор
Для охлаждения масла часто используется масляный радиатор, куда подается воздушный поток от вентилятора. Это позволяет поддерживать оптимальную температуру масла.
Система питания бензинового ДВС
В бензиновых двигателях используется внешнее смесеобразование - бензин распыляется во впускной коллектор.
Карбюратор
В карбюраторных двигателях бензин смешивается с воздухом в карбюраторе в нужной пропорции. Регулировка осуществляется дроссельной заслонкой.
Система впрыска
В современных двигателях применяется впрыск топлива форсунками во впускной коллектор или непосредственно в камеру сгорания. Это повышает экономичность и мощность.
Система питания дизельного ДВС
В дизелях используется прямой впрыск топлива в цилиндры. Дизельное топливо впрыскивается форсункой и воспламеняется от сжатия воздуха в цилиндре.
Наддув дизеля
Для форсирования мощности применяется наддув - принудительная подача сжатого воздуха от турбокомпрессора. Это повышает крутящий момент на низких оборотах.
Система зажигания в бензиновом ДВС
Для воспламенения топливной смеси в бензиновом двигателе используется электрическая система зажигания. Она создает искру между электродами свечи зажигания в нужный момент.
Катушка зажигания
Катушка зажигания преобразует низковольтный ток аккумулятора в высоковольтный для создания искры. Она содержит сердечник с обмотками и контактным прерывателем.
Свечи зажигания
Свечи зажигания устанавливаются в головке блока цилиндров. Между центральным и боковым электродами возникает искра, поджигающая смесь.
Распределитель зажигания
Распределитель направляет высокое напряжение поочередно к свечам зажигания в нужной последовательности, обеспечивая зажигание в каждом цилиндре.
Система выпуска отработавших газов
Система выпуска отводит из цилиндров продукты сгорания топлива. Она состоит из выпускного коллектора, глушителя и выхлопной трубы.
Выпускной коллектор
Выпускной коллектор собирает отработавшие газы из цилиндров и направляет их к глушителю. Улучшает газообмен за счет выравнивания пульсаций потока.
Глушитель
В глушителе происходит ослабление звуковых колебаний выхлопа для снижения шума. Используются резонаторы, перфорированные трубы, поглощающие материалы.
Выхлопная труба
По выхлопной трубе отработавшие газы выводятся наружу. Она проходит под днищем автомобиля и имеет характерную форму.