Четырёхтактный двигатель сегодня является наиболее распространённой разновидностью ДВС. Изобретён он был в конце XIX века немецким конструктором Николаусом Отто, и с тех пор нашёл широчайшее применение в различных областях техники. Такие двигатели используются в автомобилестроении, ими оснащаются речные и морские суда, поршневые самолёты, железнодорожные локомотивы. Рассмотрим подробнее устройство этого силового агрегата иразберёмся, каков принцип и порядок работы 4-цилиндрового варианта двигателя Отто.
Порядок работы цилиндров двигателя
Двигатель внутреннего сгорания практически без особых изменений дошёл до наших дней. Технически он состоит из следующих деталей:
- корпус цилиндра;
- поршень, передвигающийся внутри цилиндра;
- свечи, с помощью которых в цилиндр подаётся электрическая искра;
- коленчатый вал, через который крутящее усилие передаётся на ходовую часть;
- шатун, соединяющий поршень с коленвалом.
Кроме того, современные силовые установки могут оснащаться дополнительными деталями, делающими их работу более эффективной. Это маховики коленвала, газораспределительная система, электронный впрыск и т. д.
Порядок работы 4-тактного двигателя основан на цикле Отто, получившем название по имени своего изобретателя. Состоит этот цикл из четырёх последовательных фаз, или тактов. Сегодня производится несколько разновидностей таких двигателей, каждый из которых, по сути, является подвидом исходного образца, впервые собранного в Германии полтора столетия назад. Отличаются они друг от друга лишь порядком расположения цилиндров и бывают рядными, V-образными или оппозитными.
Справка! Независимо от особенностей конструкции, за один полный ход поршня в любых разновидностях 4-тактных ДВС последовательно происходят все четыре такта, соответствующие двум полным оборотам коленчатого вала.
1 такт – впуск топливовоздушной смеси в цилиндр. После открытия впускного клапана в полость цилиндра всасывается топливо, представляющее собой смесь бензиновых паров и воздуха. Поршень в этой фазе перемещается вниз, достигая в её конце крайней нижней точки, коленвал делает пол-оборота.
2 такт – сжатие. Поршень начинает перемещение с крайней нижней точки вверх, а коленчатый вал проворачивается ещё на половину оборота. Таким образом, за два такта (впуск и сжатие) он совершает один полный оборот. В конце фазы сжатия поршень достигает верхней точки своего хода.
3 такт – расширение. В сжатую поршнем топливную смесь через свечу зажигания подаётся электрическая искра. В результате происходит взрывообразное воспламенение паров топлива, и энергия этого микровзрыва толкает поршень обратно вниз. Через шатун поршень передаёт крутящий момент на коленвал, который проворачивается ещё на 180о.
4 такт – выпуск. В начале последнего такта поршень находится в своей самой нижней точке, но под действием инерционного вращения коленвала начинает вновь перемещаться в верхнюю часть цилиндра. Одновременно с этим открывается выпускной клапан, и скопившиеся внутри отработанные газы выталкиваются в выхлопной коллектор. После этого все четыре цикла вновь повторяются.
Рассмотрим для наглядности, как работают все три основных типа 4-тактных ДВС.
Рядный
Конструкция рядного двигателя представляет собой цилиндры, выстроенные в одну линию. Обычно их количество составляет от двух до шести-восьми. Самыми распространёнными рядными 4-тактными ДВС, применяемыми в автомобилестроении, являются 4-цилиндровые силовые агрегаты. Главный принцип, которому следуют разработчики двигателе − силовая установка должна передавать крутящий момент на ходовую часть как можно плавнее, без рывков.
Для этого поршни всех соседних цилиндров должны в один момент времени находиться в разных фазах своего перемещения. К примеру, 4-цилиндровые ДВС, устанавливаемые на отечественных «Ладах», работают по следующей схеме: 1-3-4-2. То есть, первый такт работы сначала происходит в первом цилиндре, затем в третьем, далее в четвёртом, и позже всех – во втором. А газовские моторы отсчитывают такт в порядке 1-2-4-3. В результате этого толкающее усилие передаётся на коленчатый вал непрерывно, а не рывками, как было при синхронной работе всех цилиндров.
Справка. Принцип «работы вразнобой» применяется во всех типах 4-тактных двигателей, независимо от количества цилиндров. Если их число больше четырёх, то одновременная работа поршней допускается только в цилиндрах, максимально удалённых друг от друга.
V-образные
Другая распространённая конструкция 4-тактных ДВС предусматривает расположение цилиндров в два ряда. При этом оба ряда находятся под некоторым углом по отношению друг к другу, в разных моделях − от 45 до 120о.
Подобный вариант расположения позволяет сделать мотор более компактным, увеличив при этом число рабочих цилиндров. В поперечном разрезе такой двигатель имеет форму латинской буквы V, откуда и произошло его название.
Особенностью работы V-образных силовых агрегатов является попеременное прохождение рабочих фаз поршнями из противоположных рядов. Такты 4-цилиндровый мотор отсчитывает по схеме 1-3-2-4, где первый и второй цилиндры относятся к одному ряду, а третий и четвёртый – к другому.
Оппозитные
Оппозитные двигатели – довольно редкая конструкция, встречающаяся сегодня в основном на японских легковых автомобилях, а также на некоторых мотоциклах. Они, как и V-образные ДВС, представляют собой моторы-«двухрядники», но со своей особенностью. Особенность их конструкции и работы состоит в том, что противолежащие цилиндры располагаются под углом 180о по отношению друг к другу.
Перемещение поршней в них происходит зеркально. На практике такая схема для 4-цилиндрового «оппозитника» выглядит так: 1-3-2-4. То есть, когда поршень первого цилиндра перемещается вверх, то и на противоположном цилиндре №2 он также идёт к своей верхней точке. Разница только в том, что первый поршень находится в фазе сжатия топливовоздушной смеси, а второй совершает такт выпуска отработанных газов из камеры сгорания в выхлопной коллектор.
Как видим, несмотря на разнообразие конструкций 4-тактных ДВС, в основе их работы лежит цикл Отто. Простота конструкции и высокая надёжность работы подобных механизмов стала причиной их широчайшего распространения во всём мире и во всех областях машиностроения.
