Четырехтактный (также четырехтактный ) двигатель — это двигатель внутреннего сгорания (IC), в котором поршень совершает четыре отдельных хода при повороте коленчатого вала. Под ходом понимается полный ход поршня по цилиндру в любом направлении. Четыре отдельных штриха называются:
Четырехтактные двигатели являются наиболее распространенной конструкцией двигателей внутреннего сгорания для наземного моторизованного транспорта [1] , которые используются в автомобилях , грузовиках , дизельных поездах , легких самолетах и мотоциклах . Основной альтернативной конструкцией является двухтактный цикл . [1]
Николаус Август Отто был коммивояжером бакалейного концерна. В своих путешествиях он столкнулся с двигателем внутреннего сгорания, построенным в Париже бельгийским эмигрантом Жаном Жозефом Этьеном Ленуаром . В 1860 году Ленуар успешно создал двигатель двойного действия, работавший на осветительном газе с КПД 4%. 18-литровый двигатель Ленуара выдавал всего 2 лошадиные силы. Двигатель Ленуара работал на осветительном газе, полученном из угля, который был разработан в Париже Филиппом Лебоном . [2]
Испытывая копию двигателя Ленуара в 1861 году, Отто осознал влияние сжатия на топливный заряд. В 1862 году Отто попытался создать двигатель, который улучшил бы низкую эффективность и надежность двигателя Ленуара. Он пытался создать двигатель, который сжимал бы топливную смесь перед воспламенением, но потерпел неудачу, поскольку этот двигатель проработал не более нескольких минут до своего разрушения. Многие другие инженеры пытались решить эту проблему, но безуспешно. [2]
В 1864 году Отто и Ойген Ланген основали первую компанию по производству двигателей внутреннего сгорания NA Otto and Cie (NA Otto and Company). В том же году Отто и Си удалось создать успешный атмосферный двигатель. [2] Заводу не хватило места, и в 1869 году он был перенесен в город Дойц , Германия, где компания была переименована в Deutz Gasmotorenfabrik AG (Компания по производству газовых двигателей Deutz). [2] В 1872 году Готлиб Даймлер был техническим директором, а Вильгельм Майбах — руководителем отдела проектирования двигателей. Даймлер был оружейником, работавшим над двигателем Ленуара. К 1876 году Отто и Лангену удалось создать первый двигатель внутреннего сгорания, который сжимал топливную смесь перед сгоранием, обеспечивая гораздо более высокий КПД, чем любой двигатель, созданный к тому времени.
Даймлер и Майбах оставили работу в Otto and Cie и разработали первый высокоскоростной двигатель Отто в 1883 году. В 1885 году они выпустили первый автомобиль, оснащенный двигателем Отто. Daimler Reitwagen использовал систему зажигания с горячей трубкой и топливо , известное как Ligroin, и стал первым в мире автомобилем с двигателем внутреннего сгорания. Он использовал четырехтактный двигатель, основанный на конструкции Отто. В следующем году Карл Бенц выпустил автомобиль с четырехтактным двигателем, который считается первым автомобилем. [3]
В 1884 году компания Отто, тогда известная как Gasmotorenfabrik Deutz (GFD), разработала электрическое зажигание и карбюратор. В 1890 году Даймлер и Майбах основали компанию, известную как Daimler Motoren Gesellschaft . Сегодня это компания Daimler-Benz .
Двигатель с циклом Аткинсона — это тип однотактного двигателя внутреннего сгорания, изобретенный Джеймсом Аткинсоном в 1882 году. Цикл Аткинсона разработан для обеспечения эффективности за счет удельной мощности и используется в некоторых современных гибридных электрических устройствах.
Оригинальный поршневой двигатель с циклом Аткинсона позволял тактам впуска, сжатия, мощности и выпуска четырехтактного цикла происходить за один оборот коленчатого вала и был разработан, чтобы избежать нарушения некоторых патентов, касающихся двигателей с циклом Отто. [4]
Благодаря уникальной конструкции коленчатого вала Аткинсона степень его расширения может отличаться от степени сжатия, а поскольку рабочий такт длиннее, чем такт сжатия, двигатель может достичь большего термического КПД , чем традиционный поршневой двигатель. Хотя первоначальная конструкция Аткинсона является не более чем историческим курьезом, во многих современных двигателях используются нетрадиционные фазы газораспределения для создания эффекта более короткого такта сжатия/более длинного рабочего хода, тем самым реализуя улучшение экономии топлива , которое может обеспечить цикл Аткинсона. [5]
Дизельный двигатель представляет собой техническую модернизацию двигателя с циклом Отто 1876 года. В то время как в 1861 году Отто понял, что эффективность двигателя можно повысить, сначала сжимая топливную смесь перед ее воспламенением, Рудольф Дизель хотел разработать более эффективный тип двигателя, который мог бы работать на гораздо более тяжелом топливе. Двигатели Ленуара , Отто Атмосферного и Отто Компрессионного (оба 1861 и 1876 годов) были разработаны для работы на осветительном газе (угольном газе) . С той же мотивацией, что и Отто, Дизель хотел создать двигатель, который дал бы небольшим промышленным компаниям собственный источник энергии, который позволил бы им конкурировать с более крупными компаниями, и, как Отто, уйти от необходимости быть привязанными к муниципальному снабжению топливом. . [ нужна цитация ] Как и Отто, потребовалось более десяти лет, чтобы создать двигатель с высокой степенью сжатия, который мог бы самовоспламеняться топливом, распыляемым в цилиндр. В своем первом двигателе Дизель использовал распыление воздуха в сочетании с топливом.
Во время первоначальной разработки один из двигателей взорвался, почти убив Дизеля. Он упорствовал и, наконец, в 1893 году создал успешный двигатель. Двигатель с высокой степенью сжатия, в котором топливо воспламеняется за счет тепла сжатия, теперь называется дизельным двигателем, независимо от того, является ли он четырехтактным или двухтактным.
Четырехтактный дизельный двигатель уже многие десятилетия используется в большинстве тяжелых условий эксплуатации. Он использует тяжелое топливо, содержащее больше энергии и требующее меньше переработки для производства. Наиболее эффективные двигатели с циклом Отто имеют тепловой КПД около 30%. [ нужны разъяснения ]
Термодинамический анализ реальных четырехтактных и двухтактных циклов — непростая задача. Однако анализ можно значительно упростить, если использовать стандартные предположения [6] . Получающийся цикл, который очень похож на реальные условия эксплуатации, называется циклом Отто.
Во время нормальной работы двигателя, когда топливовоздушная смесь сжимается, создается электрическая искра, воспламеняющая смесь. На низких оборотах это происходит вблизи ВМТ (верхней мертвой точки). По мере увеличения оборотов двигателя скорость фронта пламени не меняется, поэтому точка зажигания выдвигается раньше в цикле, чтобы обеспечить большую часть цикла для сгорания заряда до начала рабочего такта. Это преимущество отражено в различных конструкциях двигателей Отто; атмосферный двигатель (без сжатия) работает с КПД 12%, тогда как двигатель со сжатым зарядом имеет КПД около 30%.
Проблема двигателей со сжатым зарядом заключается в том, что повышение температуры сжатого заряда может вызвать преждевременное зажигание. Если это произойдет в неподходящее время и будет слишком энергичным, это может привести к повреждению двигателя. Различные фракции нефти имеют сильно различающуюся температуру вспышки (температуру, при которой топливо может самовоспламениться). Это необходимо учитывать при проектировании двигателя и топлива.
Склонность к раннему воспламенению сжатой топливной смеси ограничивается химическим составом топлива. Существует несколько сортов топлива для разных уровней производительности двигателей. Топливо модифицируется, чтобы изменить температуру его самовоспламенения. Есть несколько способов сделать это. Поскольку двигатели спроектированы с более высокой степенью сжатия, вероятность преждевременного зажигания гораздо выше, поскольку топливная смесь сжимается до более высокой температуры перед намеренным воспламенением. При более высокой температуре более эффективно испаряется топливо, такое как бензин, что повышает эффективность двигателя с сжатием. Более высокие степени сжатия также означают, что расстояние, на которое поршень может продвинуться для производства мощности, больше (это называется степенью расширения ).
Октановое число данного топлива является мерой устойчивости топлива к самовоспламенению. Топливо с более высоким октановым числом обеспечивает более высокую степень сжатия, что позволяет извлечь больше энергии из топлива и более эффективно преобразовать эту энергию в полезную работу, в то же время предотвращая повреждение двигателя из-за преждевременного зажигания. Высокооктановое топливо также дороже.
Многие современные четырехтактные двигатели используют прямой впрыск бензина или GDI. В бензиновом двигателе с непосредственным впрыском форсунка выступает в камеру сгорания. Топливная форсунка прямого действия впрыскивает бензин под очень высоким давлением в цилиндр во время такта сжатия, когда поршень находится ближе к верху. [7]
Дизельные двигатели по своей природе не имеют проблем с преждевременным зажиганием. Их беспокоит, можно ли начать горение. Описание вероятности воспламенения дизельного топлива называется цетановым показателем. Поскольку дизельное топливо имеет низкую летучесть, его может быть очень трудно запустить в холодном состоянии. Для запуска холодного дизельного двигателя используются различные методы, наиболее распространенным из которых является использование свечи накаливания .
Максимальное количество мощности, вырабатываемой двигателем, определяется максимальным количеством всасываемого воздуха. Количество мощности, вырабатываемой поршневым двигателем, зависит от его размера (объема цилиндра), двухтактного или четырехтактного двигателя, объемного КПД , потерь, соотношения воздух-топливо, теплотворной способности двигателя. топливо, содержание кислорода в воздухе и скорость ( об/мин ). Скорость в конечном итоге ограничивается прочностью материала и смазкой . Клапаны, поршни и шатуны подвергаются сильным ускорениям. При высоких оборотах двигателя может произойти физическая поломка и вибрация поршневых колец , что приведет к потере мощности или даже разрушению двигателя. Флаттер поршневых колец возникает, когда кольца колеблются вертикально внутри канавок поршня, в которых они находятся. Флаттер колец нарушает герметичность между кольцом и стенкой цилиндра, что приводит к потере давления и мощности в цилиндре. Если двигатель вращается слишком быстро, клапанные пружины не могут сработать достаточно быстро, чтобы закрыть клапаны. Это обычно называют « поплавком клапана », и это может привести к контакту поршня с клапаном, что серьезно повредит двигатель. На высоких скоростях смазка стенки поршня-цилиндра имеет тенденцию к нарушению. Это ограничивает скорость поршня промышленных двигателей примерно до 10 м/с.
Выходная мощность двигателя зависит от способности всасываемых веществ (топливно-воздушной смеси) и выхлопных газов быстро перемещаться через отверстия клапанов, обычно расположенные в головке блока цилиндров . Для увеличения выходной мощности двигателя можно устранить неровности впускного и выпускного трактов, например дефекты литья, а с помощью стенда воздушного потока можно изменить радиусы поворотов отверстий клапанов и конфигурацию седел клапанов для уменьшения сопротивление. Этот процесс называется портированием , и его можно выполнить вручную или на станке с ЧПУ .
Двигатель внутреннего сгорания в среднем способен преобразовать в механическую работу лишь 40-45% подводимой энергии. Большая часть ненужной энергии находится в форме тепла, которое выделяется в окружающую среду через охлаждающую жидкость, ребра и т. д. Если бы каким-то образом можно было улавливать ненужное тепло и превращать его в механическую энергию, производительность двигателя и/или топливную экономичность можно было бы улучшить за счет повышение общей эффективности цикла. Было обнаружено, что даже если 6% полностью потерянного тепла будет восстановлено, это может значительно повысить эффективность двигателя. [8]
Было разработано множество методов для извлечения отработанного тепла из выхлопных газов двигателя и дальнейшего использования его для выполнения некоторой полезной работы, одновременно уменьшая количество загрязняющих веществ в выхлопных газах. Использование цикла Ренкина , турбонаддува и термоэлектрической генерации может быть очень полезным в качестве системы рекуперации отходящего тепла .
Один из способов увеличить мощность двигателя — нагнетать больше воздуха в цилиндр, чтобы можно было производить больше мощности при каждом рабочем такте. Это можно сделать с помощью какого-либо устройства сжатия воздуха, известного как нагнетатель , который может приводиться в действие коленчатым валом двигателя.
Наддув увеличивает пределы выходной мощности двигателя внутреннего сгорания относительно его рабочего объема. Чаще всего нагнетатель работает постоянно, но существуют конструкции, позволяющие отключать его или запускать на различных скоростях (относительно частоты вращения двигателя). Механический наддув имеет тот недостаток, что часть выходной мощности используется для приведения в действие нагнетателя, в то время как мощность теряется в выхлопных газах высокого давления, поскольку воздух сжимается дважды, а затем приобретает больший потенциальный объем при сгорании, но он только расширяется. в один этап.
Турбокомпрессор — это нагнетатель, который приводится в движение выхлопными газами двигателя посредством турбины . Турбокомпрессор встроен в выхлопную систему автомобиля для использования выхлопных газов. Он состоит из двухсекционного высокоскоростного турбинного узла, одна сторона которого сжимает всасываемый воздух, а другая сторона приводит в движение выхлопные газы.
На холостом ходу и на низких и средних скоростях турбина вырабатывает мало мощности из-за небольшого объема выхлопных газов, турбокомпрессор малоэффективен, и двигатель работает почти как без наддува. Когда требуется гораздо большая выходная мощность, частота вращения двигателя и открытие дроссельной заслонки увеличиваются до тех пор, пока выхлопные газы не станут достаточными, чтобы «раскрутить» турбину турбокомпрессора и начать сжимать во впускной коллектор гораздо больше воздуха, чем обычно. Таким образом, дополнительная мощность (и скорость) выделяется благодаря функции этой турбины.
Турбонаддув обеспечивает более эффективную работу двигателя, поскольку он приводится в действие давлением выхлопных газов, которое в противном случае (в основном) тратилось бы впустую, но существует конструктивное ограничение, известное как турболаг . Повышенная мощность двигателя не доступна сразу из-за необходимости резко увеличить обороты двигателя, создать давление и раскрутить турбонаддув до того, как турбонагнетатель начнет производить какое-либо полезное сжатие воздуха. Увеличение объема впуска приводит к увеличению выхлопа и ускорению вращения турбины, и так далее, пока не будет достигнута устойчивая работа на высокой мощности. Другая трудность заключается в том, что более высокое давление выхлопных газов заставляет выхлопные газы передавать больше тепла механическим частям двигателя.
Отношение штока к ходу – это отношение длины шатуна к длине хода поршня. Более длинный шток снижает боковое давление поршня на стенку цилиндра и силы напряжения, увеличивая срок службы двигателя. Это также увеличивает стоимость и высоту и вес двигателя.
«Квадратный двигатель» — это двигатель, диаметр отверстия которого равен длине его хода. Двигатель, у которого диаметр отверстия больше длины хода, является двигателем с квадратной формой , и наоборот, двигатель с диаметром отверстия, меньшим длины хода, является двигателем с квадратной формой.
Клапаны обычно приводятся в действие распределительным валом , вращающимся со скоростью вдвое меньшей скорости коленчатого вала . Он имеет ряд кулачков по всей длине, каждый из которых предназначен для открытия клапана во время соответствующей части такта впуска или выпуска. Толкатель между клапаном и кулачком представляет собой контактную поверхность , по которой кулачок скользит, открывая клапан. Во многих двигателях используется один или несколько распределительных валов «над» рядом (или каждым рядом) цилиндров, как показано на рисунке, где каждый кулачок напрямую приводит в действие клапан через плоский толкатель. В других конструкциях двигателей распределительный вал находится в картере , и в этом случае каждый кулачок обычно контактирует с толкателем , который контактирует с коромыслом , открывающим клапан, или в случае двигателя с плоской головкой толкатель не требуется. Конструкция верхнего кулачка обычно обеспечивает более высокие обороты двигателя, поскольку обеспечивает наиболее прямой путь между кулачком и клапаном.
Зазор клапана — это небольшой зазор между толкателем клапана и штоком клапана, который обеспечивает полное закрытие клапана. На двигателях с механической регулировкой клапанов чрезмерный зазор вызывает шум в клапанном механизме. Слишком маленький зазор клапана может привести к тому, что клапаны не будут закрываться должным образом. Это приводит к потере производительности и возможному перегреву выпускных клапанов. Обычно зазор необходимо регулировать каждые 20 000 миль (32 000 км) с помощью щупа.
В большинстве современных серийных двигателей используются гидрокомпенсаторы для автоматической компенсации износа компонентов клапанного механизма. Грязное моторное масло может привести к поломке подъемника.
Двигатели Отто имеют КПД около 30%; другими словами, 30% энергии, вырабатываемой при сгорании, преобразуется в полезную энергию вращения на выходном валу двигателя, а остальная часть теряется из-за отходящего тепла, трения и аксессуаров двигателя. [9] Существует несколько способов восстановить часть энергии, потерянной в результате отхода тепла. Использование турбонагнетателя в дизельных двигателях очень эффективно за счет повышения давления входящего воздуха и, по сути, обеспечивает такое же увеличение производительности, как и увеличение рабочего объема. Компания Mack Truck несколько десятилетий назад разработала турбинную систему, которая преобразует отходящее тепло в кинетическую энергию, которую оно передает обратно в трансмиссию двигателя. В 2005 году BMW объявила о разработке турбопарохода — двухступенчатой системы рекуперации тепла, аналогичной системе Мака, которая восстанавливает 80% энергии выхлопных газов и повышает эффективность двигателя Отто на 15%. [10] Напротив, шеститактный двигатель может снизить расход топлива на целых 40%.
Современные двигатели часто намеренно создаются так, чтобы быть немного менее эффективными, чем могли бы быть в противном случае. Это необходимо для контроля выбросов , таких как рециркуляция выхлопных газов и каталитические нейтрализаторы , которые уменьшают смог и другие загрязнители атмосферы. Снижению эффективности можно противодействовать с помощью блока управления двигателем, использующего методы сжигания обедненной смеси . [11]
В Соединенных Штатах корпоративный средний расход топлива требует, чтобы автомобили расходовали в среднем 34,9 миль на галлон США (6,7 л/100 км; 41,9 миль на галлон США ) по сравнению с текущим стандартом в 25 миль на галлон США (9,4 л/100 км). ; 30,0 миль на галлон (имп ). [12] Поскольку автопроизводители стремятся соответствовать этим стандартам к 2016 году, необходимо рассмотреть новые способы разработки традиционного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Некоторые потенциальные решения по повышению топливной эффективности в соответствии с новыми требованиями включают в себя воспламенение после того, как поршень находится дальше всего от коленчатого вала, что называется верхней мертвой точкой , и применение цикла Миллера . В совокупности эта модернизация может значительно снизить расход топлива и выбросы NOx .
Исходное положение, такт впуска и такт сжатия.
Воспламенение топлива, рабочий такт и такт выпуска.