Что такое четырехтактный двигатель? | Как работает четырехтактный двигатель?

В предыдущей статье мы обсудили двухтактный двигатель. Поэтому в этой статье мы поговорим в основном о четырехтактном двигателе.

Что такое четырехтактный двигатель?

Четырехтактный двигатель — это двигатель внутреннего сгорания, который использует четыре хода поршня для завершения рабочего цикла. Он преобразует тепловую энергию топлива в полезную механическую работу за счет движения поршня вверх и вниз. Поэтому он относится к категории поршневых двигателей.

Четырехтактный двигатель завершает цикл мощности после двух оборотов коленчатого вала и 4 ходов поршня. Эти двигатели наиболее широко используются в различных транспортных средствах, таких как легкие грузовики, автобусы, микроавтобусы, легковые автомобили и т.д.

В этом поршневом двигателе процесс сжатия происходит за счет движения поршня вверх и вниз.

Основное различие между 2-тактными и 4-тактными двигателями заключается в том, что 2-тактный двигатель завершает рабочий цикл всего за два хода, а 4-тактный — за четыре хода поршня. Двухтактный двигатель производит меньше загрязнений по сравнению с двухтактным двигателем.

Как работает 4-тактный двигатель?

1. Процесс впуска
2. Процесс сжатия
3. Силовой процесс
4. Процесс выхлопа

Рабочий цикл 4-тактного двигателя

• При возвратно-поступательном движении поршня в направлении BCD от TDC (вниз) в камере сжатия (цилиндре) начинает создаваться вакуум.
• Когда в камере сжатия образуется вакуум, выпускной клапан закрывается, а впускной клапан открывается.
• Когда впускной клапан открывается, воздушно-топливная смесь начинает поступать в камеру сжатия.

• Когда внутреннее давление в камере сжатия становится равным внешнему давлению, впускной клапан закрывается, и начинается такт сжатия.
• Когда поршень движется вверх (от BCD до TDC), он сжимает воздушно-топливную смесь внутри камеры сжатия и повышает температуру и давление воздушно-топливной смеси.

• Такт мощности также известен как такт сгорания.
• Когда такт сжатия почти завершен, свеча зажигания поджигает сжатую воздушно-топливную смесь.
• Когда топливо воспламеняется, генерируется энергия, благодаря которой поршень перемещается от TDC к BDC за счет расширения химической реакции. Поэтому этот ход называется МОЩНЫМ ХОДОМ.
• Вследствие этого процесса горения температура и давление смеси становятся очень высокими. Из-за повышения давления воздушно-топливная смесь толкает поршень вниз (в направлении BCD от TDC) и приводит в движение коленчатый вал, что приводит к дальнейшему движению автомобиля.
• Во время этого процесса впускные и выпускные клапаны остаются закрытыми.

• После завершения такта мощности начинается такт выхлопа.
• Во время такта выхлопа поршень снова движется вверх (от BDC до TDC).
• Во время этого хода впускной клапан закрывается, а выпускной клапан открывается. Поршень выталкивает отработавшие газы из камеры сгорания.
• После завершения такта выхлопа поршень снова движется вниз (от TDC до BDC), всасывает воздушно-топливную смесь, и весь цикл повторяется. Последний такт выталкивает отработанные газы/выхлопные газы из цилиндра.

PV-диаграмма четырехтактного двигателя

Следующая PV-диаграмма представляет рабочий цикл четырехтактного двигателя. Четырехтактный двигатель завершает рабочий цикл за следующие шаги:

• Изобарический процесс (от 0 до 1): В изобарическом процессе поршень движется вниз и создает вакуум внутри камеры сгорания. Во время создания вакуума возникает разность давлений между атмосферным давлением и внутренним давлением камеры. Благодаря этой разнице давлений впускной клапан открывается, и воздушно-топливная смесь поступает в камеру сгорания.
• Адиабатический процесс (1 — 2): После завершения изобарического процесса впускной клапан закрывается, поршень движется вверх и нагнетает давление воздушно-топливной смеси. Во время этого процесса поршень повышает температуру и давление смеси, но ее теплота не изменяется.
• Изохорный процесс (2 — 3): Свеча зажигания поджигает воздушно-топливную смесь в конце такта сжатия (адиабатический процесс). Этот процесс повышает температуру и давление воздушно-топливной смеси и превращает ее в смесь с высокой температурой и давлением. Этот процесс зажигания также увеличивает энтропию (теплоту) воздушно-топливной смеси.
• Мощный ход (процесс 3 — 4): В этом такте тепло, выделяемое в результате процесса воспламенения, используется для того, чтобы толкать поршень вниз, что приводит к дальнейшему движению коленчатого вала. Движение коленчатого вала приводит в движение автомобиль. Поэтому этот процесс называется тактом мощности.
• Фаза выхлопа (4 к 1): В этой фазе поршень снова движется вверх, и открывается выпускной клапан, который выпускает отработанное тепло из камеры сгорания. Вследствие удаления бесполезного тепла кинетическая энергия молекул воздушно-топливной смеси уменьшается. Снова возникает разность давлений между атмосферным давлением и внутренним давлением камеры, и весь цикл повторяется.

История

Цикл Аткинсона

• В 1882 году Джеймс Аткинсон разработал двигатель цикла Аткинсона. Это был однотактный двигатель внутреннего сгорания.
• Этот цикл был изобретен для обеспечения эффективности за счет удельной мощности. В настоящее время двигатель цикла Аткинсона используется в некоторых новейших гибридных электрических системах.
• Оригинальный 4-тактный поршневой двигатель с циклом Аткинсона позволял осуществлять такт впуска, такт сжатия, такт мощности и такт выпуска за один оборот коленчатого вала, чтобы предотвратить нарушение определенных патентов, относящихся к двигателю Отто.
• Уникальная конструкция коленчатого вала двигателя Аткинсона может приводить к различным коэффициентам сжатия и расширения. Такт мощности длиннее такта сжатия, что дает двигателю большую энтальпию (тепловую эффективность), чем у обычных поршневых двигателей.
• Первоначальная конструкция двигателя Аткинсона — не более чем исторический курьез. В некоторых новейших двигателях используется нетрадиционная синхронизация клапанов для создания эффекта более длинного хода поршня или более короткого хода сжатия, что обеспечивает улучшение топливной экономичности.

Дизельный цикл

• Дизельный двигатель — это практическое усовершенствование двигателя Отто 1876 года.
• В 1861 году Отто считал, что производительность двигателя можно повысить за счет сжатия воздушно-топливной смеси перед зажиганием, а Рудольф Дизель хотел создать более эффективный двигатель, способный работать на более тяжелом топливе.
• По тем же причинам, что и Отто, Дизель хотел сконструировать двигатель, который мог бы снабжать небольшие промышленные предприятия собственной электроэнергией, чтобы конкурировать с такими крупными компаниями, как Отто, и снизить нагрузку на топливные ресурсы общества. Как и Отто, он потратил много времени на создание двигателя с высокой степенью сжатия, который мог бы самопроизвольно воспламенять топливо, впрыскиваемое в цилиндр. В своем первом двигателе Дизель использовал смесь воздуха с топливом.
• В 1893 году Дизелю удалось создать успешный двигатель. Двигатели с высокой степенью сжатия, в которых топливо воспламеняется благодаря высокой степени сжатия воздуха и топлива, известны как дизельные двигатели. Дизельный двигатель доступен как в четырехтактном, так и в двухтактном исполнении.
• Четырехтактные дизельные двигатели используются в большинстве тяжелых применений, таких как грузовики, автобусы, фургоны и т.д. В таких двигателях используется тяжелое топливо, которое содержит больше энергии и требует меньшей переработки для производства.

Ограничения выходной мощности четырехтактного двигателя

Выходная мощность двигателя зависит от количества всасываемого воздуха. Производительность поршневого двигателя (будь то четырехтактный или двухтактный двигатель) зависит от частоты вращения (RPM), теплотворной способности топлива, потерь, соотношения воздух-топливо, объемного КПД, содержания кислорода в топливно-воздушной смеси и размера камеры сгорания. В конечном счете, скорость двигателя регулируется смазкой и прочностью материала.

Шатун, поршень и клапан двигателя сталкиваются с сильными ускоряющими силами. Высокие обороты двигателя могут привести к повреждению двигателя, потере мощности, дребезгу поршневого кольца или другим физическим повреждениям. При вертикальных колебаниях поршневого кольца в канавке поршня, в которой находится поршневое кольцо, поршневое кольцо дрожит.

Целью дребезга кольца является разрушение уплотнения между стенкой цилиндра и кольцом, что приводит к потере мощности и давления в цилиндре.

Если двигатель вращается слишком быстро, пружина клапана не сможет достаточно быстро закрыть клапан. Это часто называется «поплавок клапана» и приводит к тому, что поршень ударяется о клапан и вызывает серьезную поломку двигателя.

При высокой скорости смазка на стыке поршня и стенок цилиндра может быть повреждена. Поэтому скорость поршня в промышленном двигателе ограничена 10 м/с.

Компоненты 4-тактного дизельного двигателя

1. Топливная форсунка
2. Поршень
3. Впускной клапан
4. Выпускной клапан
5. Коленчатый вал
6. Шатун
7. Блок двигателя
8. Маховик

1) Поршень и поршневое кольцо

Поршень в 4-тактном дизельном двигателе совершает возвратно-поступательное движение. Он соединяется с коленчатым валом через шатун. Через шатун он передает свое движение коленчатому валу. Поршень движется вниз и вверх внутри цилиндра двигателя.

Когда поршень движется вверх, он всасывает воздух внутри цилиндра, а когда движется вниз — сжимает воздух. Благодаря этому движению поршня температура и давление воздушно-топливной смеси внутри цилиндра увеличиваются.

Поршень двигателя имеет сложную конструкцию со стальным венцом и юбкой из ковкого чугуна. Эта юбка использует смазку под давлением для обеспечения подачи масла к гильзе цилиндра в любой рабочей ситуации. Масло подается к охлаждающему каналу в верхней части поршня через шатуны. Все поршневые кольца хромированы, чтобы противостоять износу. Поршневое кольцо содержит пружинное маслосъемное кольцо и 2 направляющих компрессионных кольца. Канавка поршневого кольца обладает превосходной износостойкостью и стабилизирована.

2) Цилиндр линейный

Этот компонент четырехтактного двигателя имеет высокий, жесткий воротник для уменьшения деформации. Материал этой линейки — сплав серого чугуна, обладающий высокой прочностью и великолепной износостойкостью. Точно расположенные вертикальные отверстия для охлаждающей воды обеспечивают точный контроль температуры. Чтобы избежать риска полировки отверстия, линейка оснащена защитным полировочным кольцом.

Пространство между гильзой цилиндра и блоком цилиндров уплотняется двойным уплотнительным кольцом. Верхний конец линейки оснащен антиполировочным кольцом, которое предотвращает полировку внутренних отверстий и снижает расход смазочного масла.

3) Подшипники большого конца и главные подшипники

Подшипник большого конца представляет собой вкладыш из свинцовистой бронзы с триметаллическими стальными спинками и толстым гладким слоем. Би-металлический подшипник, а также три-металлический подшипник выработаны как коренные подшипники.

4) Шатун

Этот компонент 4-тактного дизельного двигателя соединяет коленчатый вал двигателя и поршень. Он изготовлен из легированной стали и выкован за одно целое. Шатун имеет круглое сечение. Нижняя сторона шатуна раздваивается в горизонтальном направлении, чтобы шатун и поршень можно было извлечь из гильзы цилиндра. Подшипник шатуна состоит из триметалла.

Все болты шатуна затягиваются гидравлически. Через отверстия в шатуне масло поступает к поршням и подшипнику крестовины. Этот компонент двигателя передает движение поршня на коленчатый вал, который далее движется к колесу автомобиля.

5) Коленчатый вал

Коленчатый вал преобразует возвратно-поступательное движение поршня двигателя во вращательное. Он является важнейшим компонентом всех двигателей. Эта деталь передает конечную мощность в виде кинетической энергии. Она выполнена в виде одной детали. Шатун обеспечивает связь между коленчатым валом и поршнем двигателя.

6) Блок двигателя

Блок двигателя изготовлен из ковкого чугуна и подходит для всех цилиндров. Крышки основных подшипников крепятся снизу двумя гидравлическими стяжными болтами.

Эти крышки направлены снизу и сверху в боковом направлении через блок двигателя. Горизонтальный боковой винт с гидравлической затяжкой поддерживает крышку коренного подшипника.

7) Распределительный вал

Он используется для открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов, а также для управления топливным насосом в дизельном двигателе с высоким давлением.

8) Свеча зажигания

Используется в бензиновых двигателях или двигателях SI. Она используется для подачи искры в воздушно-топливную смесь для ее воспламенения.

9) Топливный инжектор

Используется для впрыска топлива в цилиндры двигателя. В некоторых двигателях вместо топливной форсунки используется топливный насос.

10) Маховик

Этот компонент четырехтактного бензинового двигателя установлен на чугунном столбе. Он накапливает энергию в виде инерции.

Преимущества и недостатки четырехтактных двигателей

Четырехтактный двигатель имеет следующие преимущества и недостатки:

Преимущества четырехтактного двигателя

1. Надежность: Эти типы дизельных двигателей более надежны и эффективны.
2. Долговечность: Эти двигатели имеют большую долговечность, чем 2-тактные двигатели.
3. Экологичность: эти двигатели безопасны для окружающей среды, поскольку четырехтактный двигатель выделяет меньше опасных газов, чем двухтактный.
4. Эти двигатели лучше всего подходят для тяжелых грузов и тяжелых транспортных средств.
5. Топливная экономичность: Эти двигатели имеют высокую топливную экономичность по сравнению с 2-тактными двигателями.
6. Шум: Эти двигатели работают тише, чем двухтактные.
7. Больший крутящий момент: На низкой скорости четырехтактные двигатели производят больший крутящий момент, чем двухтактные.
8. Более высокая топливная эффективность: Этот тип двигателя IC имеет более высокую топливную эффективность, чем двухтактный двигатель.
9. Не требует дополнительного масла: Этот двигатель не требует дополнительной смазки или масла для добавления в топливо. Только вращающиеся компоненты требуют промежуточной смазки.

1. Эти дизельные двигатели производят наименьшее количество NO_X .

Недостатки четырехтактного двигателя

1. Мощность: Этот двигатель имеет меньшую мощность, чем двухтактный двигатель.
2. Дороговизна: У четырехтактного двигателя много деталей. Поэтому его стоимость выше, чем у двухтактного двигателя.
3. Вес: Эти двигатели имеют большой вес по сравнению с двухтактными двигателями.
4. Требуемая площадь: Для их установки требуется большая площадь.
5. Ход поршня: Требуется больше ходов поршня для завершения цикла мощности.
6. Конструкция: Эти двигатели имеют сложную конструкцию.

Чем отличаются 4-тактные дизельные двигатели от 4-тактных бензиновых двигателей?

Раздел часто задаваемых вопросов

Что подразумевается под 4-тактным двигателем?

Двигатель, который совершает рабочий ход за четыре хода поршня, называется 4-тактным.

Каковы примеры 4-тактных двигателей?

Четырехтактные двигатели чаще всего используются в тяжелых приложениях, таких как грузовики, автобусы, мотоциклы, фургоны, тракторы и другие тяжелые транспортные средства.

Какой двигатель производит меньше загрязнений, 2-тактный или 4-тактный?

Двухтактный двигатель производит больше загрязнений, чем четырехтактный. Это связано с тем, что в двухтактном двигателе используются отверстия для всасывания и выпуска топлива.

Какой двигатель быстрее, двухтактный или четырехтактный?

У 2-тактного двигателя меньше деталей, чем у 4-тактного. Для сравнения, двухтактный двигатель завершает рабочий цикл (всего за 2 хода поршня) быстрее, чем четырехтактный. Поэтому двухтактный двигатель быстрее, чем четырехтактный.

Существует ли шеститактный двигатель?

6-тактный двигатель — это самая современная версия двигателя внутреннего сгорания, которая основана на конструкции 4-тактного двигателя, но этот двигатель имеет два дополнительных хода поршня для снижения выбросов и повышения эффективности. 6-тактный двигатель использует свежий воздух (чистый воздух из атмосферы) для 5-го такта 2-го всасывания.