Дорогой друг, сегодня поговорим о том, что значит четырехтактный двигатель. О истории его изобретения, принципе работы, особенностях, технических характеристиках и сферах применения.
Конечно, если у вас есть водительское удостоверение, то вы по крайней мере слышали этот термин, когда учились в автошколе. Но вряд ли тогда стали вникать во все тонкости, поэтому сейчас самое время разобраться, что же там происходит под капотом вашего железного коня.
Принцип работы и основная характеристика
Рабочий цикл ДВС (двигателя внутреннего сгорания) состоит из ряда процессов, при которых усиливается мощность двигателя, воздействующего на коленчатый вал. Состоит рабочий цикл из нескольких этапов:
- цилиндр заполняется топливной смесью;
- смесь сжимается;
- топливная смесь воспламеняется;
- газы расширяются и цилиндр очищается.
В ДВС поршень двигается в одном направлении (вниз или вверх). Коленчатый вал совершает один оборот в два такта. Рабочим ходом поршня называют тот, при котором совершается полезная работа, и расширяются сгоревшие газы.
Двухтактными называют двигатели, в которых цикл совершается в один оборот коленчатого вала или за два такта. Четырехтактные агрегаты характеризуются совершением рабочего цикла за два оборота коленвала или за четыре такта.
Основные характерные показатели 4 тактного двигателя:
- За счет движения рабочего поршня происходит обмен газов.
- Агрегат оснащен газораспределительным механизмом, позволяющим цилиндровую полость переключать на впуск и выпуск.
- Происходит обмен газов в момент отдельного полуоборота коленвала.
- Шестерные редукторы и ременная цепная передача дают возможность изменить моменты впрыскивания бензина, зажигания и привода газораспределительного механизма по отношению к частоте вращения коленвала.
Распределение мощности в 2Т и 4Т двигателях
2Т двигатель за два оборота коленчатого вала успевает два раза использовать энергию сгорания топлива. Многие считают, что он в два раза мощнее двигателя 4Т.
Но обратите внимание, в 2Т двигателе часть цилиндра занимают впускные и выпускные окна, значит количество горючего, которое потом сгорит, меньше в объеме, чем у двигателя 4Т, где цилиндр цельный.
В двигателе 2Т из-за простоты конструкции смазка коленчатого вала производится маслом, добавленным в бензин. Масло в рабочей смеси снижает выделяемую энергию (масло горит хуже). Из-за особенностей впуска-выпуска горючей смеси и выхлопных газов в двигателе 2Т больше горючей смеси «улетает в трубу», не сгорая.
В 4Т двигателе этот процесс за счет более сложного механизма впуска-выпуска минимален.
В результате — 2Т двигатели, действительно, в какой-то момент мощнее (но не в два раза), а более высокая мощность у них достигается в более узком рабочем диапазоне оборотов коленчатого вала (то есть на старте скутер с 2Т двигателем еле разгоняется, потом наступает так называемый “подхват”, скутер «выстреливает», но быстро «увядает») и для динамичной езды все время приходится поддерживать определенные обороты двигателя.
Следовательно, чем мощнее 2Т двигатель, тем уже диапазон оборотов, тоньше настройки и двигатель дороже. Насладиться в полной мере преимуществами 2Т двигателя могут лишь спортсмены (где важнее выжать все и сейчас), или обладатели бензопил и газонокосилок (которым чем проще и дешевле, тем лучше).
Даже несколько менее мощный 4Т двигатель обладает более благоприятной характеристикой чем 2Т — он «эластичен». Сразу с начала движения, он обеспечит скутеру хорошую тягу (плавно и уверенно, без «провалов» и «подхватов» наберет скорость) и уверенный набор скорости будет доступен во всем диапазоне оборотов коленчатого вала.
Недостаток мощности скажется только в верхнем рабочем диапазоне оборотов двигателя. А 2Т двигатель, как раз близко к этому режиму работы, и выдает максимальную мощность. Но долго ли прослужит техника, эксплуатируемая на пределе возможностей?
Если Вам хочется улучшить динамические характеристики Вашего скутера, можно установить комплект для увеличения рабочего объема двигателя до 70 куб.с.м. После переделки Ваш скутер не уступит 2Т модели и удовольствия от езды будет больше.
История
Приблизительно в 1854—1857 годах итальянцами Феличче Матоци и Евгением Барсанти было создано устройство, которое по имеющимся сегодня сведениям было похоже на четырехтактный мотор. Изобретение итальянцев было утеряно и только в 1861 году. Алфоном де Роше был запатентован двигатель такого типа.
Впервые пригодный к работе четырехтактный мотор создал немецкий инженер Николаус Отто. В его честь был назван четырехтактный цикл работы циклом Отто, а 4-тактный мотор, применяющий свечи зажигания, называют двигателем Отто.
Плюсы и минусы ДВС
Для начала рассмотрим все имеющиеся достоинства и недостатки двухтактных моторов, которые несмотря на свою конструкцию, пользуются большой популярностью. К их преимуществам относятся:
- Простота конструкции
- Высокая скорость набора оборотов
- Невысокая стоимость, что делает инструменты, оснащенные такими агрегатами очень популярными
- Простота обслуживания, что обусловлено отсутствием ГРМ и отдельной системы смазки
- Малый вес и габариты, что делает инструменты с такими ДВС удобными и практичными
Теперь разберемся со всеми недостатками, которые имеются у двухтактных двигателей:
- Шумность работы
- Низкая экологичность, что обусловлено выделением в атмосферу не сгоревшего топлива
- Низкий ресурс работы
- Необходимость смешивания бензина с маслом при каждой дозаправке. Кроме того, нельзя долго хранить разведенное топливо, иначе происходит его порча
- Большой расход топлива
- Небольшая мощность в сравнении с четырехтактными
У 4-тактных агрегатов достоинств намного больше, однако такие недостатки, как сложность конструкции, большой вес и цена оставляют негативный отпечаток. Далеко не каждый может позволить себе покупку, к примеру, снегоуборщика с 4-тактным мотором, который стоит в 2 раза больше, чем аналог с более примитивным агрегатом. Все недостатки 2-тактных моторов — это есть преимущества четырехтактных.
В силу большого количества недостатков обоих видов двигателей, производители запатентовали выпуск модернизированных моделей ДВС, которые получили название 4-MIX и 2-MIX. Наверняка вы сталкивались с тем, что при ремонте или замене деталей двигателя бензопилы или бензокосы, обнаруживалось наличие механизма ГРМ, но при этом инструмент заправляется разведенным бензином с маслом, как указывает производитель. Все верно, это говорит о том, что ваш инструмент оснащен двигателем 4-mix. Более подробно об этих типах двигателей узнаем далее.
Особенности работы 4-х тактного двигателя
В двухтактном моторе смазывание поршневых и цилиндровых пальцев, коленвала, поршня, подшипника и компрессорных колец проводят, заливая масло в бензин. Коленчатый вал 4тактного мотора располагается в масляной ванне, что является существенным отличием. Именно поэтому отсутствует необходимость смешивать топливо и добавлять масло. Все, что необходимо сделать владельцу автомобиля — наполнить бензином топливный бак.
Автовладельцу, таким образом, незачем приобретать специальное масло, без которого не может функционировать двухтактный мотор. Кроме того, при наличии четырехтактного мотора на поршневом зеркале и на стенах глушителя уменьшается количество нагара. Еще одно важное отличие — в двухтактном моторе в выхлопную трубу выплескивается горючая смесь, что обусловлено его устройством.
Следует признать, что у четырехтактных двигателей также имеются небольшие недостатки. Например, у них не особо качественными являются рабочие моменты по регулированию теплового клапанного зазора.
Экономичность 2Т и 4Т двигателей
К примеру, 50-кубовая 2Т модель с приличными характеристиками (мощность 4-5 л.с), потребляет 3.5 л бензина на 100 км. масло, а 4Т двигатель мощностью 3 л.с. «съест» 2.2 л. бензина. Масло практически не расходуется вообще.
От расхода топлива зависит не только скорость опустошения Вашего кошелька, но и пробег на одной заправке. Так как баки у скутеров примерно одинаковые, то 6 литрового бака 4Т-скутера Вам хватит, на 100 км больше.
Экологическая обстановка в мире, особенно в Европе и Америке заставляет правительства всех стран принимать меры по ужесточению контроля за выхлопами, шумом и иными параметрами техники, производимой или ввозимой в эти страны. По этой причине двухтактные двигатели уходят в прошлое.
Только на 4-тактном двигателе возможно соответствие конкурентоспособной цены и соответствия нормам “ЕВРО”. Поэтому производители сокращают выпуск двухтактных двигателей — с ними сложнее получить сертификат соответствия, европейское одобрение, а, значит выйти на рынок развитых стран. Выпуск 2Т двигателей пока еще велик, но скутеры с таким двигателями идут, в основном, в развивающиеся страны. Сейчас есть разработки 2Т двигателей, отвечающих всем нормам экологии, но до их серийного выпуска еще далеко. Дешевыми они тоже не будут.
Конструкция агрегата
Распредвал четырехтактного мотора размещается в крышке цилиндра. Он приводится в действие ведущим колесом, вмонтированном в коленчатый вал. Распределительный вал открывает и закрывает один из клапанов: выпускной или впускной, в зависимости от расположения поршня. На распределительном вале также расположены кулачки, которые приводят в действие клапанные коромысла.
Коромысла после срабатывания, начинают воздействовать на определенный клапан и открывают его. Важно, что между регулировочным винтом и клапаном должен быть тепловой зазор (узкий промежуток). При нагреве металл расширяется, поэтому, если зазор слишком маленький или его нет вообще, клапаны не могут закрыть полностью каналы выпуска и впуска.
У клапана впуска зазор должен быть меньше, чем у клапана выпуска, потому как газы выхлопа горячее, чем смесь. Соответственно клапан впуска нагревается меньше, чем клапаны выпуска.
Устройство двигателя внутреннего сгорания
Тепловые двигатели такого типа работают на жидком и газообразном топливе. Этим топливом могут быть нефть, бензин, керосин, различные горючие газы.
На рисунке 1 изображена схема простейшего двигателя внутреннего сгорания в разрезе.
Рисунок 1. Устройство двигателя внутреннего сгорания
Двигатель представляет собой прочный металлический цилиндр. Внутри этого цилиндра имеется подвижный поршень 3. Поршень соединения шатуном 4 с коленчатым валом 5.
В верхней части двигателя расположены два клапана 1 и 2. Когда двигатель работает, они автоматически открываются и закрываются в определенные нужные моменты.
Через клапан 1 в цилиндр двигателя поступает горючая смесь. Она воспламеняется с помощью свечи 6.
Горючая смесь — это смесь горючих газов, частиц жидкого топлива и паров топлива с воздухом (кислородом).
Отработавшие газы выпускаются через клапан 2.
Периодически в цилиндре происходит сгорание горючей смеси. Например, сгорает смесь паров бензина и воздуха. Образуются газообразные продукты сгорания. Их температура при этом достигает высоких значений — $1600-1800 \degree C$. В результате этого резко увеличивается давление на поршень.
Эти газы (продукты сгорания) толкают поршень. При движении поршня двигается и коленчатый вал. Таким образом газы совершают механическую работу. Т. е., часть внутренней энергии газов перешла в механическую энергию. Следовательно, внутренняя энергия газов уменьшилась — они начинают охлаждаться.
Работа двигателя
Как уже было отмечено работа четырехтактного мотора состоит из четырех тактов поршня или из двух оборотов коленвала.
Этапы работы :
- Впуск. Поршень движется в нижнюю сторону, открывая клапан впуска. Из карбюратора горючая смесь поступает в цилиндр. Когда поршень достигает нижнего положения, клапан впуска закрывается.
- Сжатие. Поршень движется вверх, провоцируя сживание горючей смеси. Когда он приближается к верхней точке, сжатый бензин возгорается.
- Расширение. Бензин возгорается и сгорает. В результате чего происходит растяжение горючих газов, и поршень движется вниз. При этом два клапана оказываются закрытыми.
- Выпуск. Коленчатый вал по инерции продолжает двигаться вокруг своей оси, а поршень движется вверх. Вместе с этим открывается клапан выпуска, и выхлопные газы поступают в трубу. При прохождении клапаном мертвой точки, клапан впуска закрывается.
Надежность 2Т и 4Т двигателей
В 2Т двигателе поршень, поршневые кольца и цилиндр фактически являются расходным материалом из-за особенностей конструкции (в цилиндре-то отверстия).
Многие владельцы скутеров укатывают поршень 2Т двигателя за сезон, а цилиндр — за два. В 4Т двигателе — 4-5 сезонов на одном поршне 4Т двигателя.
Из-за более качественной смазки (масло подается к ответственным частям не в смеси с бензином, а путем разбрызгивания или подачи под давлением), 4Т двигатель рассчитан на больший ресурс. Более сложный клапанный механизм впуска-выпуска газов четче работает, требует несложного и не частого обслуживания.
