Рабочий ход поршня и холостой ход двигателя

Двигатель внутреннего сгорания и по сей день является самым популярным изобретением. Он предназначен для приведения в действие самые различные механизмы. Вокруг этого изобретения крутится довольно серьезная терминология, которая понятна не всем водителям. Сегодня вы узнаете, что такое рабочий ход двигателя (рабочий ход поршня) и режим холостого хода.

Рабочий ход поршня ДВС

Чтобы узнать, что это такое, необходимо понимать принцип действия двигателя внутреннего сгорания. Рабочим ходом называется такое движение поршня, при котором мотор совершает полезную, а именно – преобразует тепловую энергию во вращающий момент.

 

Для начала разберем все такты работы двигателя и дойдет до того момента, когда поршень будет совершать эту самую полезную работу. Первым делом идет такт впуска. В это время поршень движется вниз, а клапан, обеспечивающий впуск топливовоздушной смеси, открывается. Она подается в определенном соотношении и полностью заполняет камеру сгорания. Это продолжается до тех пор, пока поршень не достигнет нижней мертвой точки.

Как только поршень пойдет вверх, клапана будут закрыты, в этот момент смесь сжимается и давление внутри камеры повышается. Как только поршень достигнет верхней мертвой точки, наступает момент рабочего хода поршня. На электродах свечи зажигания появится искра, которая воспламенит смесь и станет причиной небольшого взрыва, который заставит поршень пойти вниз. Пока поршень направляется в самую нижнюю точку цилиндра – этот отрезок будет считаться его рабочим ходом. Далее весь цикл повторяется за счет инерции коленчатого вала.

Стоит отметить, что именно рабочий ход является главным показателем эффективности работы двигателя, а значит, целиком определяем его коэффициент полезного действия.

В этом время, вся остальная работа, затрачиваемая на инерцию: сжатие смеси и ее подача – это все создает лишнюю нагрузку на коленвал, тем не менее, без этого работа двигателя невозможна. Многие автомастера увеличивают рабочий ход поршня и увеличивают объем цилиндра, чтобы добиться наибольшей эффктивности за счет увеличения рабочего хода и объема смеси подлежащего сгоранию.

Работа двигателя на холостом ходу

Холостым ходом любого двигателя внутреннего сгорания называют такой режим работы, при котором отсутствует передача вращающего момента на требуемый механизм. Данный режим характерен не только для ДВС, он также активно применяется и для многих других видов силовых установок, однако большее распространение получил именно в таких типах двигателей.

Данный режим обеспечивается за счет сцепления, которое может «разрывать» передачу вращающего момент от маховика к первичному валу, а также нейтральное положение рукоятки коробки передач, при котором отсутвует передача момента на приводной или карданный вал.

Работа двигателя на холостом ходу позволяет поддерживать его обороты на требуемом уровне без остановки. Дело в том, что при наличии нагрузки на коленчатом валу, ДВС всегда стремится остановиться, так кислород в этом случае потребляется в малом количестве. Такой режим также позволяет выполнить прогрев мотора, а на инжекторных двигателях создает работу, при которой содержание вредных веществ в выхлопном дыме сводится к минимуму.

 

Вокруг холостого режима ходит большое количество «легенд». Так, например, многие водители считают режим работы на холостом ходу самым экономичным. Однако это не так, скорее наоборот, холостой ход становится причиной самого максимального потребления топлива. Дело в том, что при полностью закрытой дроссельной заслонке, чтобы двигатель не остановился, система подачи топлива обеспечивает увеличение содержание бензина в камере сгорания, а при открытии дросселя, уровень бензина в смеси снижается, так как потребление кислорода увеличивается. В этом режиме двигатель скорее работает за счет вознкающей инерции после полезного хода поршня. Принято считать, что самым экономичным режимом работы ДВС является тот момент, когда обороты находятся на отметке в 3000 об/мин. В этот момент дроссельная заслонка открывается полностью, а уровень топлива в камере сгорания составляет минимум.

Устойчивость оборотов холостого хода поддерживает система подачи топлива. Именно от нее зависит то, как мотор будет работать себя, когда нагрузка на валу отсутствует, а дроссельная заслонка, при этом, закрыта.

Вот и все, что нужно знать о самых запутанных терминах теории двигателя внутреннего сгорания. Все это относится не только в автомобильным двигателям, ведь такой мотор устанавливается и на мотоциклы, бензопилы, лодки и даже самолеты. 

Рабочий цикл двигателя: что это такое

Существует несколько различных типов двигателей, при этом на колесном, гусеничном, водном и даже иногда воздушном транспорте  (грузовые и легковые авто,  спецтехника, моторные  лодки, самолеты и т.п.), нередко можно встретить двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

Двигатели внутреннего сгорания бывают бензиновыми и дизельными, также могут успешно работать на газу и даже на водороде (водородный двигатель внутреннего сгорания). Еще моторы отличаются по конструкции, компоновке, бывают двухтактными и четырехтактными.

Так или иначе, широкое распространение силовой агрегат данного типа получил благодаря своей автономности, универсальности, а также целому ряду других преимуществ. При этом агрегаты имеют много различных параметров и характеристик, среди которых стоит отдельно выделить рабочий цикл.  Далее мы поговорим о том,  что означает рабочий цикл автомобильного двигателя внутреннего сгорания.

Содержание статьи

• Рабочий цикл ДВС: что нужно знать
  • Как работает четырехтактный бензиновый двигатель
  • Работа четырехтактного дизельного ДВС
• Синхронная работа нескольких цилиндров

Рабочий цикл ДВС: что нужно знать

Если рассматривать принцип работы двигателя внутреннего сгорания, топливо в таких агрегатах сгорает в закрытой камере (камера сгорания), куда подается готовая топливно-воздушная смесь или воздух и топливо по отдельности (дизельные агрегаты и моторы с прямым впрыском).

Работа такого мотора основана на том, что во время сгорания топлива происходит расширение газов.  Указанные газы становятся причиной роста давления в цилиндре, благодаря чему поршень получает «толчок». Затем энергия, переданная на поршень, преобразуется в механическую работу.  Давайте рассмотрим принцип работы двигателя, а также рабочие циклы более подробно.

Итак, рабочий  цикл двигателя – последовательно повторяющиеся процессы, которые протекают в цилиндрах в рамках трансформации тепловой энергии топлива в полезную механическую работу. Если  один рабочий цикл совершается за 2 хода поршня, когда коленчатый вал делает один оборот, такой двигатель является двухтактным.

Двигатели, которые устанавливаются на автомобили, обычно работают по четырехтактному циклу (четырехтактный двигатель). Это значит, рабочий цикл совершается за два оборота коленвала и четыре хода поршня. Работу такого ДВС можно разделить на такты: такт впуска, такт сжатия, такт рабочего хода, такт выпуска.

Как работает четырехтактный бензиновый двигатель

Чтобы было понятнее, начнем с того, что когда поршень в цилиндре во время работы  ДВС начинает занимать крайние положения (максимально приближен или удален по отношению к оси коленчатого вала), эти положения принято называть ВМТ и НМТ. ВМТ означает верхняя мертвая точка, тогда как НМТ значит нижняя мертвая точка.  Теперь вернемся к тактам.

• На такте впуска коленчатый вал двигателя делает первую половину оборота, при этом поршень из ВМТ движется в НМТ. В этот момент  открыт впускной клапан, а выпускной клапан закрыт. При движении поршня вниз в цилиндре образуется разрежение, в результате чего  в цилиндр «засасывается» топливно-воздушная смесь через открытый впускной клапан. Рабочая смесь состоит из воздуха и распыленного топлива (в некоторых двигателях на такте впуска поступает только воздух).
• Следующим тактом является сжатие. После того, как произойдет наполнение цилиндра топливно-воздушной смесью, коленвал начинает совершать вторую половину оборота.   В этот момент поршень начинает подниматься из НМТ в ВМТ. При этом впускной клапан уже закрыт. Далее поршень сжимает смесь в герметично закрытом цилиндре. Чем больше уменьшается объем цилиндра, тем сильнее сжимается смесь. Результатом такого сжатия является повышение температуры смеси.
• К тому времени, когда поршень подойдет к концу такта сжатия (практически дойдет до ВМТ), смесь в бензиновых двигателях воспламеняется от внешнего источника (электрическая искра на свече зажигания). Затем топливный заряд сгорает, в результате в цилиндре резко повышается температура и давление. В этот момент  поршень уже перемещается обратно из ВМТ в нижнюю  мертвую точку, принимая на себя энергию расширяющихся газов.

Далее от поршня через шатун энергия передается на КШМ, позволяя вращать коленчатый вал двигателя. Коленвал в это время делает третий по счету полуоборот, а движение поршня из ВМТ в НМТ называется рабочим ходом поршня.

• После того, как поршень почти дойдет до НМТ в конце рабочего хода, происходит  открытие выпускного клапана. После этого давление в цилиндре снижается,  несколько падает и температура. Затем начинается такт выпуска.  В это время коленчатый вал совершает последний полуоборот, при этом поршень снова поднимается из НМТ в ВМТ, буквально «выталкивая» отработавшие газы из цилиндра через открытый выпускной клапан в выпускной коллектор.

Работа четырехтактного дизельного ДВС

Хотя дизель конструктивно похож на бензиновый мотор, в дизельных двигателях изначально сжимается только воздух, после чего прямо в камеру сгорания впрыскивается дизтопливо. При этом  воспламенение такой смеси происходит самостоятельно (под большим давлением, а также в результате контакта с нагретым от сильного сжатия воздухом).

Простыми словами, воздух сначала сжимается и нагревается, в среднем,  до 650 градусов по Цельсию. В самом конце такта сжатия в камеру сгорания топливная форсунка впрыскивает солярку, затем смесь дизтоплива и воздуха самовоспламеняется.

С учетом данной особенности на такте впуска (поршень движется из ВМТ в НМТ), за счет разряжения в цилиндр подается воздух через  открытый впускной клапан. Давление и температура воздуха в этот момент имеют низкие показатели.

Затем начинается сжатие, поршень поднимается из НМТ в верхнюю мертвую точку. Как и в случае с бензиновым мотором, впускной и выпускной клапаны  полностью закрыты, что позволяет поршню  сильно сжать воздух.

Обратите внимание, для дизельного двигателя очень важно, чтобы температура сжатого воздуха была достаточной для воспламенения топлива. По этой причине степень сжатия в дизельных ДВС намного выше, чем в бензиновых.  Далее, когда поршень практически доходит до ВМТ, происходит топливный впрыск (момент впрыска дизельного двигателя).

Если учесть, что давление воздуха в цилиндре высокое (необходимо для его нагрева), дизельное топливо в момент впрыска должно также подаваться под  очень высоким давлением. Фактически, форсунке нужно «продавить» солярку в камеру сгорания, в которой уже находится сильно сжатый поршнем и горячий воздух.

Для решения этой задачи многие системы питания дизельного двигателя имеют ТНВД (топливный насос высокого давления). Также в схеме могут быть использованы насос-форсунки (форсунка и насос объединены в одно устройство). Еще существуют варианты, когда питание  двигателя реализовано при помощи так называемого «аккумулятора» высокого давления. Речь идет о системах Common Rail.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое крутящий момент и мощность двигателя. Из этой статьи вы подробно узнаете о данных характеристиках, в чем измеряется мощность и момент двигателя, как эти показатели зависят друг от друга и т.д.

После воспламенения заряда происходит расширение газов и начинается рабочий ход поршня. Температура в  результате горения смеси  повышается, происходит увеличение давления. Указанное давление газов  «толкает» поршень, происходит рабочий ход. Завершающим этапом становится выпуск, когда поршень после совершения рабочего хода снова поднимается из НМТ в ВМТ.  Затем весь описанный выше процесс (рабочий цикл двигателя) повторяется.

Синхронная работа нескольких цилиндров

Выше были описан принцип работы ДВС, при этом рассматривались процессы в одном цилиндре. Однако, как известно, большинство двигателей являются многоцилиндровыми. Для того чтобы добиться ровной и синхронной работы всех цилиндров,  рабочий ход поршня в каждом отдельном цилиндре должен происходить через  равный промежуток времени (одинаковые углы поворота коленвала).

При  этом последовательность, с которой чередуются  одинаковые такты в разных цилиндрах, принято называть  порядком работы ДВС (например, 1-2-4-3). На практике это выглядит таким образом, что после рабочего хода в цилиндре 1, далее рабочий ход происходит во втором, четвертом, а уже затем в третьем цилиндре.

В зависимости от компоновки двигателя и его конструктивных особенностей последовательность (порядок работы) может быть разной. Дело в том, что двигатели бывают не только рядными, но и V-образными.

Рекомендуем также прочитать статью о КПД дизельного двигателя. Из этой статьи вы узнаете о данном параметре и от чего зависит КПД, а также почему дизельные моторы имеют КПД выше по сравнению с бензиновыми ДВС.

Во втором случае такая компоновка позволяет разместить цилиндры под углом, при этом становится возможным увеличить общее количество цилиндров без увеличения самой длины блока цилиндра двигателя. Такое решение позволяет разместить мощный многоцилиндровый ДВС под капотом не только большого внедорожника или грузовика, но и легкового авто.

Определение тактов двигателя

6 комментариев / Подача воздуха и топлива, Двигатель, Особенности двигателя, Избранные статьи, Технология, Особенности технологии / Автор Ромен Николя

Принцип 4-тактного двигателя

В 4-тактном двигателе ходы поршня (перемещение от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке или наоборот) необходимы для завершения рабочего цикла.

Такт впуска (от ВМТ до НМТ): свежая смесь в двигателе с искровым зажиганием или свежий воздух в дизеле подается в цилиндр через впускные клапаны, которые могут открываться с небольшим опережением до ВМТ и могут закрываются с определенной задержкой после НМТ, чтобы максимизировать индуцированную массу.

Такт сжатия (от НМТ до ВМТ): свежая смесь в двигателе СИ или свежий воздух в дизеле сжимается при закрытых клапанах. Ближе к концу такта сжатия сгорание инициируется искровым зажиганием (двигатель с искровым зажиганием) или впрыском топлива (дизельный двигатель).

Рабочий ход (от ВМТ до НМТ): горячие газы расширяются, толкая поршень вниз и совершая над ним работу, в пять раз (или более) превышающую работу, совершаемую поршнем в такте сжатия. Ближе к концу рабочего такта выпускные клапаны могут начать открываться, и часть сгоревших газов выбрасывается из цилиндра благодаря перепаду давления.

Такт выпуска (от НМТ до ВМТ): поршень выталкивает оставшиеся сгоревшие газы. Ближе к концу такта выпуска впускные клапаны могут открыться, а вскоре после ВМТ выпускной клапан может закрыться, это называется перекрытием. После этого можно начинать новый цикл.

Хотя цикл завершается за 4 такта за 2 оборота кривошипа, можно выделить 6 рабочих фаз, поскольку во время одного такта могут происходить разные фазы:

• Впуск
• Сжатие
• Горение
• Расширение
• Выхлоп (Продувка)
• Выхлоп (объемный)

Следует отметить, что требуются 2 рабочие фазы для замены сгоревших газов свежей смесью.

Двухтактный принцип

В двухтактном двигателе для полного рабочего цикла требуется всего два хода поршня (т.е. 1 оборот коленчатого вала).

Чтобы получить более высокую выходную мощность, два такта, используемые для газообмена, подавляются и заменяются процессом продувки. Процесс продувки определяется вытеснением сгоревших газов, когда поршень приближается к концу рабочего хода, посредством свежего заряда, находящегося под давлением.

В простейшей конструкции свежий заряд находится под давлением благодаря самому картеру, объем которого изменяется в зависимости от объема цилиндра, так что минимальный объем картера (а затем и максимальное давление) достигается, когда поршень находится в положении НМТ в главном цилиндре.

Возможна более компактная конструкция по сравнению с 4-тактным двигателем, поскольку впускной и выпускной клапаны могут быть заменены портами (отверстиями) в гильзе цилиндра, открытие и закрытие которых может управляться непосредственно движением поршня.

Два такта следующие:

Такт сжатия : после закрытия впускного и выпускного отверстий поршень сжимает заряд цилиндра (в то же время объем в картере увеличивается, втягивая свежий заряд в картер путем сжатия). Ближе к концу такта сжатия сгорание инициируется искровым зажиганием (двигатель SI) или впрыском топлива (дизельный двигатель).

Рабочий ход : горячие газы расширяются, толкая поршень вниз. К концу этого такта выпускное отверстие открывается, и часть продуктов сгорания выбрасывается из цилиндра благодаря перепаду давления. После этого продувочные отверстия открываются, и свежий заряд под давлением вытесняет сгоревшие газы, так что новый цикл может начаться снова после того, как поршень достигнет НМТ.

Опять же, как и для 4-тактного двигателя, во время 2-тактного цикла происходит 6 различных фаз:

• Продувка
• Впуск
• Сжатие
• Горение
• Расширение
• Продувка

Однако для реализации такого цикла необходим клапан с регулируемым давлением на порте продувки. Если используются простые отверстия в стенках цилиндра, край впускного отверстия должен находиться ниже выпускного отверстия, чтобы обеспечить фазу продувки. Это может привести к короткому замыканию части индуцированного свежего заряда в начале такта сжатия, поскольку выпускное отверстие остается открытым некоторое время после закрытия впускного отверстия.

Процесс продувки представляет собой ахиллесову пяту двухтактного двигателя, поскольку в его простейшей компоновке с простыми портами в стенках цилиндра часть свежего заряда будет поступать непосредственно в выпускной порт, вызывая высокий расход топлива и выбросы углеводородов в двигатель СИ.

По этим причинам использование двухтактных двигателей SI было ограничено маломощными двигателями общего назначения (такими как газонокосилки, пильные цепи, подвесные моторы для движения лодок…), где минусы считались приемлемыми из-за высокой простоте, дешевизне и высокой удельной мощности этих двигателей.

2-тактные двигатели также используются для больших дизелей для морских и стационарных применений (диаметр около 1 метра), где они обычно предпочтительнее 4-тактных из-за чрезмерно высоких термомеханических нагрузок, которые должны выдерживать клапаны (нагрузка увеличивается с клапаном). диаметр, который пропорционален диаметру цилиндра).

В настоящее время нет примеров применения двухтактных двигателей в автомобилестроении.

Ромен Николя мнение:

Базовые двухтактные и четырехтактные двигатели имеют почти противоположные характеристики. Тем не менее, некоторые исследования продолжаются, чтобы использовать преимущества одного типа и применять его к другому типу двигателя, например, с непосредственным впрыском для двухтактного двигателя. Считаете ли вы, что 2-тактные двигатели появятся в автомобильной промышленности для нестандартных нужд, таких как увеличение запаса хода для серийных гибридов? Как вы думаете, будут ли недостатки двухтактных двигателей преодолены, чтобы занять место в двигателе внутреннего сгорания сегодня?

Руководство для начинающих: что такое четырехтактный двигатель и как он работает?

Вы здесь

Главная | Руководство для начинающих: что такое четырехтактный двигатель и как он работает?

В наши дни все легковые и легкие грузовики используют четырехтактные поршневые двигатели, работающие как на бензине, так и на дизельном топливе. Это означает, что коленчатый вал должен совершить два оборота, и каждый поршень должен двигаться вверх и вниз два раза, чтобы произвести один импульс мощности. Другими словами, поршень движется вверх-вниз, вверх-вниз при каждом срабатывании свечи зажигания.

В наши дни двухтактные двигатели можно найти только в бензопилах, машинах для уборки сорняков, снегоходах, подвесных лодочных моторах и мопедах. Двигатели такого типа могут иметь большую мощность для данного размера или веса, но они производят гораздо больше загрязнения.

Роторный двигатель Ванкеля, недавно использованный Mazda в RX-7, работает на совершенно другой системе. Меня можно представить как трехтактный двигатель, но на самом деле у него вообще нет тактов.

В четырехтактном двигателе четыре такта:

1) Ход впуска

Начиная с верхней мертвой точки (ВМТ) и при нулевом вращении поршень движется вниз по цилиндру. При движении поршня создается вакуум, и впускной клапан открывается, всасывая воздух в цилиндр. В карбюраторных двигателях, а также в двигателях с впрыском через порт и корпус дроссельной заслонки топливо поступает с воздухом, а в двигателях с прямым впрыском оно впрыскивается непосредственно в цилиндр.

2) Ход сжатия

Теперь, в нижней мертвой точке (НМТ), поршень снова начинает двигаться вверх. Впускной и выпускной клапаны закрыты, и топливно-воздушная смесь сжимается поршнем в камеру сгорания. В наши дни степень сжатия, объем цилиндра плюс камера сгорания по сравнению с объемом только камеры сгорания, может составлять от 8:1 до 12:1 или больше в некоторых гоночных двигателях. Сжатие смеси значительно увеличивает мощность, вырабатываемую при сгорании, но само сжатие выделяет тепло, которое может вызвать детонацию или преждевременное воспламенение.

3) Power Stroke

Здесь происходит все волшебство! Свеча зажигания воспламеняет смесь, так как поршень находится в верхней части хода. В результате взрыва поршень быстро перемещается обратно в цилиндр, вращая коленчатый вал и заставляя машину двигаться.