Четырёхтактный бензиновый двигатель

Четырёхтактный бензиновый двигатель — это тип двигателя внутреннего сгорания (ДВС), в котором один рабочий цикл (процесс преобразования химической энергии топлива в механическую работу) совершается за четыре хода поршня (такта), соответствующих двум полным оборотам коленчатого вала. Является наиболее распространённым типом силового агрегата в автомобилях, мотоциклах, малой авиации, садовой и строительной технике, а также в стационарных установках (генераторах, насосах). Основное отличие от двухтактного двигателя — наличие газораспределительного механизма (ГРМ), обеспечивающего раздельное протекание процессов впуска, сжатия, расширения и выпуска, что позволяет достичь более высокой топливной экономичности и экологичности.

История

Идея четырёхтактного цикла была впервые реализована немецким инженером Николаусом Отто в 1876 году. Его двигатель, запатентованный в 1877 году, работал на светильном газе (смеси водорода, метана и угарного газа) и имел КПД около 14 %, что значительно превосходило показатели существовавших тогда атмосферных машин. В 1885 году Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах создали первый бензиновый четырёхтактный двигатель с карбюратором и калильным зажиганием, который был установлен на мотоцикл Reitwagen. В 1886 году Карл Бенц запатентовал трёхколёсный автомобиль с четырёхтактным двигателем, положив начало эпохе автомобилестроения.

Ключевые этапы развития:

• 1900–1910-е годы: внедрение клапанного механизма с нижним расположением клапанов (side-valve), электрического зажигания от магнето и системы смазки под давлением.
• 1920–1930-е годы: появление верхнеклапанной схемы (OHV) с толкателями и коромыслами, что улучшило наполнение цилиндров и мощность.
• 1940–1950-е годы: разработка газораспределительных механизмов с верхним расположением распредвала (OHC) и турбонаддува для авиации и гоночных автомобилей.
• 1960–1970-е годы: внедрение электронного зажигания, многоточечного впрыска топлива (K-Jetronic, L-Jetronic) и каталитических нейтрализаторов в ответ на ужесточение норм токсичности выхлопа.
• 1980–2000-е годы: массовое распространение систем непосредственного впрыска топлива (GDI, FSI), изменяемых фаз газораспределения (VVT) и турбокомпрессоров с изменяемой геометрией.
• 2010–2020-е годы: оптимизация для гибридных силовых установок (цикл Аткинсона/Миллера), внедрение систем «старт-стоп» и деактивации цилиндров, снижение рабочего объёма (даунсайзинг) при сохранении мощности за счёт наддува.

Принцип работы

Рабочий цикл четырёхтактного бензинового двигателя включает четыре последовательных такта, каждый из которых соответствует одному ходу поршня (вверх или вниз) при вращении коленчатого вала на 180°.

Такт 1: Впуск

Поршень движется от верхней мёртвой точки (ВМТ) к нижней (НМТ). Впускной клапан открыт, выпускной закрыт. В цилиндре создаётся разрежение, и через впускной тракт засасывается свежая топливно-воздушная смесь (в двигателях с распределённым впрыском) или чистый воздух (в двигателях с непосредственным впрыском, где топливо подаётся позже). Давление в цилиндре составляет 0,7–0,9 атмосферы (абсолютное). Коленчатый вал совершает первую половину оборота (0°–180°).

Такт 2: Сжатие

Поршень движется от НМТ к ВМТ. Оба клапана закрыты. Смесь (или воздух) сжимается, её температура и давление резко возрастают. Степень сжатия (отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания) для бензиновых двигателей обычно составляет от 8:1 до 12:1 (в современных высокофорсированных моторах — до 14:1). К концу такта давление достигает 10–20 атмосфер, температура — 350–500 °C. Коленчатый вал совершает вторую половину оборота (180°–360°).

Такт 3: Рабочий ход (Расширение)

В момент, близкий к достижению поршнем ВМТ (обычно за несколько градусов до ВМТ), от свечи зажигания проскакивает искра. Топливно-воздушная смесь воспламеняется и быстро сгорает, выделяя тепло. Температура газов в цилиндре подскакивает до 2000–2500 °C, а давление — до 40–80 атмосфер. Под действием давления газов поршень движется к НМТ, совершая механическую работу, которая через шатун передаётся на коленчатый вал. Оба клапана закрыты. Коленчатый вал совершает третью половину оборота (360°–540°).

Такт 4: Выпуск

Поршень движется от НМТ к ВМТ. Выпускной клапан открыт (обычно за 40–60° до НМТ), впускной закрыт. Отработавшие газы выталкиваются поршнем из цилиндра в выпускной коллектор и далее в систему глушения и нейтрализации. Давление в цилиндре к концу такта снижается до 1,1–1,2 атмосферы. Коленчатый вал совершает четвёртую половину оборота (540°–720°). После завершения выпуска цикл повторяется с такта впуска.

Устройство и основные компоненты

Четырёхтактный бензиновый двигатель состоит из нескольких взаимосвязанных систем и механизмов.

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ)

Преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Включает:

• Блок цилиндров — основная корпусная деталь, обычно отлитая из чугуна или алюминия, содержащая цилиндры, рубашку охлаждения и масляные каналы.
• Головка блока цилиндров (ГБЦ) — закрывает цилиндры сверху, содержит камеры сгорания, гнёзда для свечей зажигания и каналы газораспределения.
• Поршни — цилиндрические детали из алюминиевого сплава, воспринимающие давление газов. Снабжены поршневыми кольцами (компрессионными и маслосъёмными).
• Шатуны — соединяют поршни с коленчатым валом.
• Коленчатый вал — стальной вал с коленчатыми шейками, преобразующий усилие от шатунов в крутящий момент. Имеет противовесы для уравновешивания инерционных сил.
• Маховик — массивный диск на заднем конце коленвала, накапливающий кинетическую энергию для плавного хода и облегчения запуска.

Газораспределительный механизм (ГРМ)

Управляет открытием и закрытием впускных и выпускных клапанов в строгом соответствии с фазами газораспределения. Основные типы:

• OHV (OverHead Valve) — распредвал расположен в блоке цилиндров, клапаны приводятся через толкатели и коромысла. Устаревшая, но простая и надёжная схема (двигатели V8, некоторые рядные).
• OHC (OverHead Camshaft) — один или два распредвала расположены в ГБЦ, клапаны приводятся непосредственно кулачками через рокеры или гидрокомпенсаторы. Наиболее распространённый тип в современных двигателях.
• DOHC (Double OverHead Camshaft) — два распредвала в ГБЦ (один для впускных, другой для выпускных клапанов). Обеспечивает оптимальные фазы и высокую мощность на высоких оборотах.

Элементы ГРМ: распредвал(ы), клапаны (впускные — обычно большего диаметра, выпускные — из жаропрочной стали), пружины, направляющие втулки, сёдла, гидрокомпенсаторы (автоматически регулируют тепловой зазор), цепь или ремень привода ГРМ.

Системы двигателя

• Система питания: подаёт топливо и воздух. Включает топливный бак, насос, фильтры, форсунки (в современных двигателях — электроуправляемые), дроссельную заслонку, впускной коллектор, воздушный фильтр.
• Система зажигания: воспламеняет смесь в нужный момент. Состоит из катушки зажигания, распределителя (в старых системах), свечей зажигания и блока управления (ЭБУ).
• Система смазки: подаёт масло к трущимся деталям (подшипники коленвала, распредвала, поршневая группа). Включает масляный насос, фильтр, радиатор (на форсированных моторах).
• Система охлаждения: отводит избыточное тепло от двигателя. Жидкостная (антифриз) — состоит из радиатора, водяного насоса (помпы), термостата, вентилятора и расширительного бачка. Воздушная (на некоторых мотоциклах и газонокосилках) — использует обдув от вентилятора.
• Система выпуска: отводит отработавшие газы, снижает шум и токсичность. Включает выпускной коллектор, каталитический нейтрализатор, лямбда-зонды, резонатор и глушитель.

Классификация

Четырёхтактные бензиновые двигатели классифицируются по нескольким признакам:

• По числу и расположению цилиндров: рядные (R2–R6), V-образные (V6, V8, V10, V12), оппозитные (Boxer), W-образные (W12), роторно-поршневые (Ванкеля — хотя формально не поршневой, но четырёхтактный цикл).
• По способу смесеобразования: с внешним смесеобразованием (карбюраторные, распределённый впрыск) и с внутренним (непосредственный впрыск).
• По способу наполнения цилиндров: атмосферные (воздух поступает за счёт разрежения) и с наддувом (турбокомпрессор, механический нагнетатель).
• По типу охлаждения: жидкостное и воздушное.
• По назначению: автомобильные, мотоциклетные, авиационные, судовые, стационарные, бензоинструмент (пилы, триммеры).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая топливная экономичность (удельный расход топлива 200–300 г/кВт·ч) по сравнению с двухтактными двигателями.
• Низкий уровень токсичности выхлопа (возможность использования каталитических нейтрализаторов и систем рециркуляции отработавших газов).
• Широкий диапазон рабочих оборотов (от 600–800 об/мин на холостом ходу до 6000–9000 об/мин у серийных моторов, до 20000+ об/мин у гоночных).
• Относительно низкий уровень шума и вибраций (благодаря уравновешивающим механизмам и маховику).
• Долговечность (ресурс современных двигателей при надлежащем обслуживании — 200 000–500 000 км и более).

Недостатки

• Большая сложность конструкции (наличие ГРМ, системы смазки, охлаждения, зажигания) по сравнению с двухтактными двигателями.
• Более высокая масса и габариты на единицу мощности.
• Меньшая удельная мощность (л.с./л) по сравнению с двухтактными двигателями аналогичного объёма.
• Необходимость в точной регулировке фаз газораспределения и зажигания.
• Склонность к детонации при использовании топлива с низким октановым числом или неправильном угле опережения зажигания.

Применение

Четырёхтактные бензиновые двигатели являются доминирующим типом силовых установок в:

• Автомобильной промышленности — легковые автомобили, внедорожники, лёгкие грузовики (до 3,5 т).
• Мотоциклетной технике — дорожные мотоциклы, скутеры, квадроциклы.
• Малой авиации — лёгкие самолёты (Cessna 172, Piper PA-28), вертолёты (Robinson R22), автожиры.
• Судостроении — катера, яхты, гидроциклы (подвесные лодочные моторы).
• Садовой и строительной технике — газонокосилки, генераторы, мотопомпы, снегоуборщики, мойки высокого давления.
• Стационарных установках — электростанции малой мощности, компрессоры, насосные агрегаты.

Современные тенденции

В начале XXI века развитие четырёхтактных бензиновых двигателей направлено на повышение КПД (до 40–45% в гибридных циклах), снижение выбросов CO₂ и вредных веществ, а также на уменьшение рабочего объёма при сохранении мощности (даунсайзинг). Ключевые технологии:

• Цикл Аткинсона/Миллера — увеличенная степень расширения по сравнению со степенью сжатия, достигаемая за счёт позднего закрытия впускных клапанов. Используется в гибридных автомобилях Toyota, Lexus.
• Непосредственный впрыск топлива (GDI) — подача бензина непосредственно в камеру сгорания под высоким давлением (до 350 бар), что улучшает смесеобразование и снижает расход.
• Турбонаддув — использование энергии выхлопных газов для привода компрессора, нагнетающего воздух в цилиндры. Позволяет уменьшить рабочий объём на 30–50% без потери мощности.
• Изменяемые фазы газораспределения (VVT) — электронное управление моментами открытия/закрытия клапанов в зависимости от режима работы двигателя.
• Деактивация цилиндров — отключение подачи топлива и газораспределения на части цилиндров при малых нагрузках (например, на двигателях Chrysler HEMI, Volkswagen TSI).
• Системы «старт-стоп» — автоматическое глушение двигателя на остановках и быстрый перезапуск при нажатии педали газа.

Несмотря на активное развитие электромобилей, четырёхтактные бензиновые двигатели остаются основным типом силовых агрегатов для лёгкого коммерческого и личного транспорта, а также для техники, где важен запас хода и простота дозаправки.

Источники

• Акимов С. В., Чижков Ю. П. «Электрооборудование автомобилей». — М.: За рулем, 2001.
• Борисов А. В. «Двигатели внутреннего сгорания: устройство и работа». — М.: Академия, 2010.
• Вахламов В. К. «Автомобили: теория и конструкция». — М.: Академия, 2008.
• Колчин А. И., Демидов В. П. «Расчёт автомобильных и тракторных двигателей». — М.: Высшая школа, 2002.
• Пузанков А. Г. «Автомобили: конструкция и эксплуатационные свойства». — М.: Академия, 2007.
• Heywood J. B. «Internal Combustion Engine Fundamentals». — McGraw-Hill, 1988.