Что происходит внутри четырёхтактного двигателя за одну секунду?
Поделиться этой страницей
В четырёхтактном двигателе одна секунда - это насыщенная механическая последовательность: поршень совершает десятки полных ходов между верхней и нижней мёртвыми точками, клапаны открываются и закрываются с безупречной синхронизацией, а воспламенение происходит лишь один раз за каждые два оборота коленвала. Впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск: каждый из этих четырёх тактов соответствует ровно 180 градусам оборота коленчатого вала, и чем выше обороты двигателя, тем в меньшую долю секунды сжимается каждый такт.
Ключевые факты
- Один полный цикл 720°, то есть занимает два оборота коленвала; каждый такт 180° длится.
- Мощность вырабатывается лишь на одном из четырёх тактов: рабочий ход происходит один раз за каждые 2 оборота .
- Свеча зажигания обычно инициирует искру примерно за 20° угла поворота коленвала до ВМТ .
- Двигатель внутреннего сгорания преобразует в механическую работу в среднем лишь 40-45% подведённой энергии.
- В промышленных двигателях средняя скорость поршня ограничена примерно 10 м/с .
Как работает четырёхтактный двигатель: четыре шага внутри цилиндра
Всё начинается с определения «такта»: такт - это полный ход поршня в любом направлении вдоль цилиндра. Когда поршень находится в крайнем верхнем положении, говорят, что он в верхней мёртвой точке (ВМТ), а в крайнем нижнем - в нижней мёртвой точке (НМТ). Четырёхтактный цикл охватывает четыре такта и два полных оборота коленчатого вала между этими двумя точками. Линейное движение поршня через шатун приводит во вращение коленчатый вал; за все четыре такта коленвал поворачивается на 720 градусов.
Роль клапанов в этом цикле критически важна. Впускными и выпускными клапанами управляет распределительный вал, вращающийся вдвое медленнее коленвала. Это полуоборотное соотношение - не случайность, а необходимость: поскольку моменты работы клапанов должны быть привязаны к углу поворота коленвала, распределительный вал отслеживает каждый цикл половиной оборота коленчатого вала.
1. Впуск: втягивание воздуха с частичным разрежением
Когда поршень начинает опускаться от верхней мёртвой точки, впускной клапан открыт. Движение поршня вниз увеличивает объём цилиндра и создаёт внутри частичное разрежение, то есть отрицательное давление. Эта разница давлений втягивает топливовоздушную смесь в цилиндр. Такт впуска - это полное движение поршня от ВМТ до НМТ, и он занимает первые 180 градусов цикла.
2. Сжатие: концентрация энергии
В нижней мёртвой точке впускной клапан закрывается и начинается сжатие. Теперь оба клапана закрыты; поршень, поднимаясь, сжимает топливовоздушную смесь в малом объёме камеры сгорания. У сжатия две функции: обеспечить более полное испарение паров топлива и высвободить больше энергии при воспламенении. Энергия, затраченная на сжатие, составляет лишь примерно четверть энергии, вырабатываемой при сгорании; то есть вложение выгодно.
Измерить степень сжатия - один из самых быстрых способов понять характер двигателя. В бензиновых двигателях распространённый диапазон - от 6:1 до 10:1 ; с ростом степени сжатия повышается эффективность, но также возрастает риск самовоспламенения бензина, то есть детонации. Поэтому октановое число бензина - мера устойчивости к самовоспламенению: более высокое октановое число допускает более высокую степень сжатия.
3. Рабочий ход: единственный такт цикла, производящий работу
В конце такта сжатия, примерно за 20° угла поворота коленвала до верхней мёртвой точки, свеча зажигания даёт искру. Почему не точно в верхней точке? Потому что фронту пламени нужно время, чтобы распространиться по камере сгорания; искра проскакивает заранее так, чтобы пик давления приходился precisely на момент, когда поршень находится в верхней точке и давление совершает полезную работу. Горящая смесь толкает поршень к НМТ, производя механическую работу, вращающую коленвал. Только этот такт производит работу на протяжении всего цикла; независимо от числа цилиндров, каждый четырёхтактный двигатель получает рабочий ход раз в 720 градусов. Секрет ровной работы многоцилиндровых двигателей заключается в слиянии этих рабочих ходов на коленчатом валу.
4. Выпуск: опорожнение камеры сгорания
Когда поршень достигает нижней мёртвой точки, открывается выпускной клапан, и на протяжении последних 180 градусов цикла поршень движется вверх, выталкивая отработавшие газы через выпускной канал. К моменту достижения верхней мёртвой точки цилиндр очищен, впускной клапан готов снова открыться, и цикл начинается заново. Каждое наполнение цилиндра означает новое восстановление двухоборотного цикла.
Сколько Длится Такт при Росте Оборотов?
Ответ на этот вопрос находится с помощью чистой арифметики. Поскольку рабочий цикл длится два оборота коленвала, обороты двигателя напрямую определяют продолжительность такта. Например, при 1000 об/мин двигатель совершает около 16,7 оборота в секунду; полный цикл занимает примерно 60 миллисекунд, то есть один такт длится 15 миллисекунд. При 6000 об/мин в секунду происходит 100 оборотов, и каждый такт, включая рабочий ход, сокращается примерно до 2,5 миллисекунд. Сгорание, движение клапанов и поток газов должны быть организованы в этих масштабах.
Физика определяет и потолок оборотов. Средняя скорость поршня является функцией хода и оборотов; в промышленных двигателях эта скорость ограничена примерно 10 м/с, чтобы не нарушалась смазка стенок цилиндра. На высоких оборотах возникают две типичные проблемы: если клапанные пружины не успевают, возникает «зависание клапанов», и контакт поршня с клапаном может серьёзно повредить двигатель. Кроме того, вибрация поршневых колец может привести к потере давления в цилиндре и мощности. Короче говоря, предел того, насколько малой долей секунды может быть такт, очерчивается прочностью материалов и смазкой.
Бензин или дизель: тот же цикл, разное воспламенение
Этапы четырёхтактного цикла одинаковы в обоих двигателях; разница заключается в способе воспламенения, запускающего рабочий ход. Бензиновый двигатель имеет искровое зажигание: свеча воспламеняет сжатую смесь. Дизель же имеет воспламенение от сжатия; высокое тепло, возникающее в результате сжатия, самостоятельно воспламеняет дизельное топливо, способное воспламеняться при давлениях внутри двигателя, и свеча зажигания не нужна. Склонность дизеля к воспламенению определяется цетановым числом; оно работает по логике, противоположной октановому числу бензина. Из-за низкой летучести дизеля самым распространённым способом холодного запуска является использование свечей накаливания.
| Характеристика | Бензиновый двигатель | Дизельный двигатель |
|---|---|---|
| Воспламенение | Искровое (свечи зажигания) | От сжатия (тепло сжатия) |
| Цикл | Цикл Отто | Цикл Дизеля |
| Топливная экономичность | Октановое число | Цетановое число |
| Степень сжатия | Типично 6:1 - 10:1 | Температура сжатия высока и благоприятна для воспламенения |
| Характер оборотов | Работает на более высоких оборотах | Работает на более низких оборотах; топливо сгорает медленнее |
То, что дизельное топливо сгорает медленнее бензина, объясняет, почему дизельные двигатели работают на более низких оборотах; низкие обороты, в свою очередь, снижают износ двигателя. Поэтому различие в характере двух двигателей происходит не от самого цикла, а от скорости сгорания топлива.
Как современные технологии улучшают эти 720 градусов?
Базовый цикл не изменился с 1876 года; изменилось то, насколько эффективно используется каждый 180-градусный сегмент. Выделяются три современных усовершенствования.
Изменяемые фазы газораспределения (VVT)
Фиксированный распредвал оптимизирует фазы клапанов лишь в одном диапазоне оборотов. Изменяемые фазы газораспределения в реальном времени регулируют момент открытия клапана в зависимости от оборотов двигателя, обеспечивая оптимальное распределение мощности и более плавное ускорение. Лучшее управление топливовоздушной смесью повышает эффективность сгорания; в условиях частичной нагрузки до 5% улучшения топливной экономичности было зафиксировано.
Непосредственный впрыск (GDI)
В используемом во многих современных четырёхтактных бензиновых двигателях непосредственном впрыске сопло форсунки выходит в камеру сгорания, и бензин под очень высоким давлением впрыскивается в цилиндр в течение такта сжатия, когда поршень находится в верхней точке. То есть топливо теперь подаётся не во время такта впуска, а в самом критическом сегменте цикла, с миллиметровой точностью.
Турбонаддув: заимствование мощности у такта выпуска
Турбонаддув - это высокооборотный двухсекционный турбинный узел на выходе выхлопных газов: одна сторона питается потоком выхлопа, другая сжимает всасываемый воздух. Такт выпуска несёт в основном напрасно теряемую энергию; поскольку турбина работает за счёт этого давления, она функционирует более эффективно и, нагнетая в цилиндр больше воздуха, позволяет получать больше мощности из каждого рабочего такта. В одном исследовании с турбонаддувом переменной геометрии выходная мощность была улучшена по сравнению с атмосферным двигателем на 165% . Известное ограничение конструкции - турбояма: мощность приходит не мгновенно, требуется рост оборотов и давления; на холостом ходу и низких-средних скоростях двигатель работает почти как атмосферный.
Предел эффективности и краткая история
Двигатель внутреннего сгорания в среднем может преобразовать лишь около 40-45% полученной энергии в механическую работу; самые эффективные двигатели цикла Отто работают при тепловой эффективности около 30% , а остальное тепло теряется на трение и вспомогательные агрегаты. Более того, двигатели могут сознательно строиться чуть менее эффективными ради средств контроля выбросов, таких как каталитический нейтрализатор. Цикл Аткинсона обеспечивает эффективность ценой удельной мощности и используется в современных гибридных установках; многие современные двигатели реализуют эту экономию с помощью нестандартных фаз газораспределения, создающих эффект короткого сжатия и длинного рабочего такта.
История тоже поучительна: Отто, в 1861 году тестируя двигатель Ленуара, заметил влияние сжатия на эффективность; в 1876 году Отто и Ланген создали первый успешный двигатель внутреннего сгорания, сжимавший топливную смесь перед сгоранием. В 1883 году Даймлер и Майбах создали первый высокоскоростной двигатель Отто, а в 1885 году Даймлер на Reitwagen создал первое в мире транспортное средство с двигателем внутреннего сгорания; в 1886 году Карл Бенц разработал свой автомобиль с четырёхтактным двигателем, который считается первым автомобилем. Дизельный двигатель - это техническое усовершенствование цикла Отто 1876 года: Рудольф Дизель создал свой успешный двигатель в 1893 году. Сегодня четырёхтактная конструкция является самой распространённой архитектурой двигателя внутреннего сгорания для дорожных транспортных средств в диапазоне от легковых автомобилей до грузовиков, от дизельных поездов до лёгких самолётов и мотоциклов.
Заключение: четыре такта в 180 градусов
Вся физика четырёхтактного двигателя сводится к четырём частям, разделённым на 720-градусный оборот коленчатого вала: наполнение под вакуумом, сжатие в закрытом объёме, сгорание, однократно производящее работу, и очистка. Такие технологии, как фазы газораспределения, впрыск и турбонаддув, служат одной цели - извлечь больше эффективности из каждой миллисекунды этих частей. Когда этот фундамент становится ясным, остальная часть технологии двигателей - от степени сжатия до турболага - становится гораздо более понятной.