Как работает двигатель внутреннего сгорания 4 такта — основные принципы работы, схема функционирования и особенности

Двигатель внутреннего сгорания 4 такта — это один из самых распространенных и используемых типов двигателей в автомобиле. Он применяется практически во всех современных автомобилях и работает по принципу внутреннего сгорания топлива, который преобразует химическую энергию в механическую.

Четырехтактный двигатель состоит из четырех тактов: впускного, сжатия, рабочего и выпускного. Каждый такт имеет свои особенности и выполняет определенные функции для правильной работы двигателя.

Первый такт — впускной — начинается с открытия впускного клапана, по которому в камеру сгорания попадает смесь воздуха и топлива. Затем поршень двигается вниз, создавая подсос воздуха в цилиндр. Далее поршень двигается вверх, закрывая впускной клапан и создавая сжатие смеси в цилиндре.

Основы работы двигателя внутреннего сгорания 4 такта

Процесс работы двигателя внутреннего сгорания 4 такта требует точной синхронизации работы основных элементов двигателя. Возникающие давление и температура создают большие нагрузки на детали, поэтому качество материалов и их изготовление являются важными факторами для обеспечения надежности и эффективности работы двигателя.

Двигатель внутреннего сгорания 4 такта широко используется в автомобилях и других транспортных средствах. Его преимущества включают высокую мощность, надежность, экономичность и относительную простоту конструкции. Вместе с тем, разработка и совершенствование двигателей данного типа продолжается, с целью повышения кПД, снижения выбросов и улучшения экологических показателей.

Рабочий цикл двигателя

Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания 4 такта включает четыре основных этапа, которые происходят последовательно:

1. Впуск

На этом этапе поршень двигается от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке, открывая впускной клапан. При этом смесь топлива и воздуха с впускаемым воздухом попадает в цилиндр. В конце этого этапа клапан закрывается, а поршень двигается обратно к ВМТ.

2. Сжатие

На этом этапе поршень двигается от НМТ к ВМТ, сжимая смесь в цилиндре. В результате сжатия происходит повышение давления и температуры в смеси топлива и воздуха, что способствует более эффективному сгоранию топлива.

3. Рабочий такт или тепловой расширения

На этом этапе происходит воспламенение сжатой смеси топлива и воздуха. В результате происходит взрывное сгорание, которое приводит к удару поршня, который двигается от ВМТ к НМТ. При этом вырабатывается механическая работа и энергия, которая затем будет передаваться на коленчатый вал и приводить в движение другие механизмы автомобиля, например, передачу и колеса.

4. Выхлоп

Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания 4 такта является основой работы двигателей большинства современных автомобилей. Благодаря этому циклу двигатель эффективно преобразует химическую энергию топлива в механическую работу, обеспечивая автомобилю необходимую мощность и скорость.

Впускная стадия двигателя

Она начинается с открытия впускного клапана, который позволяет смеси проникнуть внутрь цилиндра из впускного коллектора. В результате разрежение внутри цилиндра создает подсос и засасывает свежую смесь из системы питания двигателя. В каждом цилиндре устанавливаются специальные форсунки, которые распыляют топливо и смешивают его с воздухом. Этот процесс осуществляется с помощью впрыска.

На этом этапе осуществляется подача запасной воздушной массы, чтобы служить для создания куртиврирования камеры сгорания и проветривания отработавших газов. Также, впускная стадия включает в себя два главных явления смесеобразования: равномерное распределение топлива в потоке воздуха и размыкание пояса разрежения ведоного смесеобразование при раскрытии клапанов впуска.

Впускной процесс заканчивается закрытием впускного клапана, чем предотвращается обратный выброс газов в систему искусственного впуска.

Сжатие смеси

Сжатие смеси важный этап работы двигателя, так как от него зависит климат сгорания. Поршень поднимается вверх, уменьшая объем цилиндра и увеличивая давление внутри. Атомы кислорода из воздуха и частицы топлива сжимаются и сталкиваются друг с другом, повышая температуру и давление.

Этот процесс сжатия происходит благодаря кинетической энергии, полученной от движения поршня. По мере приближения к конечному верхнему положению, смесь становится все плотнее и готова к следующему этапу — воспламенению.

Рабочий такт двигателя

Во время впускного такта поршень двигается от ВМТ (верхней мёртвой точки) к НМТ (нижней мёртвой точке), создавая разрежение в цилиндре. В это время клапаны впуска открываются, позволяя заряженному воздуху-топливной смеси проникнуть в цилиндр. Затем клапаны закрываются, а поршень движется к НМТ, сжимая смесь в цилиндре. На этом этапе происходит второй такт – сжатие.

Рабочий такт начинается с момента зажигания, когда между электродами свечи зажигания возникает искра, которая активизирует смесь. В результате происходит взрывное сгорание смеси, доставляемой свечей зажигания, и поршень отталкивается от верхней крышки цилиндра (движение от НМТ к ВМТ), приводя в действие вал коленчатый. В это время выполняется третий такт – рабочий такт.

Выпускной такт начинается тогда, когда клапан выпуска открывается, а поршень начинает двигаться от ВМТ к НМТ, выталкивая отработавшие газы из цилиндра в выпускную систему.

Также важно отметить, что двигатель работает с заданным циклом вращения коленчатого вала. В данном случае, машина охлаждается жидкостью, что означает, что теплообмена воды с некоторым элементом воздухопотока происходит для охлаждения элемента.

Выпускные газы

На последнем такте двигателя, выхлопные клапаны открываются, чтобы выпустить отработавшие газы из цилиндра. Выпускные газы состоят в основном из углекислого газа (CO2), водяного пара (H2O) и некоторых нерастворимых продуктов сгорания. В состав также входят оксиды азота (NOx), которые возникают в результате сгорания азота из окружающего воздуха.

Выпускные газы проходят через выпускную систему, которая включает в себя глушитель и катализатор. Катализатор предназначен для снижения содержания вредных веществ в выхлопных газах, таких как оксиды азота и углеводороды. Он работает путем преобразования этих вредных веществ в более безопасные соединения.

Выпускные газы транспортируются через выпускную трубу и выбрасываются в окружающую среду. Они могут содержать вредные вещества, которые негативно влияют на окружающую среду и здоровье людей. Поэтому существуют нормы, регулирующие выбросы вредных веществ, которые автомобильные производители должны соблюдать.

Полезная мощность двигателя

Двигатель внутреннего сгорания работает с целью преобразования химической энергии топлива в механическую работу. Эта работа (мощность) может использоваться для привода различных механических устройств, таких как автомобильные колеса или электрогенераторы.

Полезная мощность двигателя представляет собой мощность, которую двигатель может выдавать на валу. Она измеряется в лошадиных силах (л.с.) или киловаттах (кВт).

Чтобы определить полезную мощность двигателя, необходимо учесть потери энергии, которые возникают во время работы двигателя. Основные потери мощности связаны с трением, теплопотерями и механическими потерями внутри двигателя.

Эффективность двигателя определяется соотношением полезной мощности к полной мощности, которую получает двигатель от сгорания топлива. Чем выше эффективность двигателя, тем меньше потерь энергии и больше полезной мощности он может выдавать.