Четырёхтактный двигатель

Четырёхтактный двигатель — это поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий цикл совершается за четыре хода поршня (такта): впуск, сжатие, рабочий ход (сгорание и расширение) и выпуск. Данный тип двигателей является наиболее распространённым в автомобилестроении, мотоциклостроении, судостроении, энергетике и других отраслях, где требуется компактный, эффективный и надёжный источник механической энергии.

История

Первые прототипы четырёхтактных двигателей были созданы во второй половине XIX века. В 1861 году французский инженер Альфонс Бо де Роша теоретически описал принцип работы четырёхтактного цикла, но не реализовал его на практике. В 1876 году немецкий изобретатель Николаус Отто построил первый действующий четырёхтактный газовый двигатель, который получил название «двигатель Отто». В 1885 году Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах создали первый бензиновый четырёхтактный двигатель, пригодный для установки на транспортные средства, что положило начало эре автомобилестроения.

В России первые четырёхтактные двигатели начали производиться в начале XX века на заводах «Русский дизель» и «Двигатель революции» (ныне — «Звезда»). В советский период массовое производство таких двигателей было налажено на Горьковском автозаводе (ГАЗ), Московском заводе малолитражных автомобилей (МЗМА, позже АЗЛК), Волжском автозаводе (ВАЗ) и других предприятиях.

Принцип работы

Рабочий цикл четырёхтактного двигателя состоит из четырёх последовательных тактов, каждый из которых соответствует одному ходу поршня (половине оборота коленчатого вала). Полный цикл завершается за два оборота коленчатого вала.

Такт 1: Впуск

Поршень движется от верхней мёртвой точки (ВМТ) к нижней мёртвой точке (НМТ). Впускной клапан открыт, выпускной закрыт. В цилиндре создаётся разрежение, и через впускной клапан поступает топливно-воздушная смесь (в бензиновых двигателях) или воздух (в дизельных двигателях, где топливо впрыскивается позже). В конце такта впускной клапан закрывается.

Такт 2: Сжатие

Поршень движется от НМТ к ВМТ. Оба клапана закрыты. Смесь (или воздух) сжимается, её температура и давление возрастают. В бензиновых двигателях степень сжатия обычно составляет 8–12, в дизельных — 14–22. В конце такта сжатия происходит воспламенение.

Такт 3: Рабочий ход (сгорание и расширение)

В бензиновых двигателях смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания. В дизельных — топливо впрыскивается в цилиндр, где самовоспламеняется от высокой температуры сжатого воздуха. Сгорание вызывает резкое повышение давления и температуры (до 2000–2500 °C), газы расширяются, толкая поршень от ВМТ к НМТ. Этот такт — единственный, при котором совершается полезная работа. Оба клапана закрыты.

Такт 4: Выпуск

Поршень движется от НМТ к ВМТ. Выпускной клапан открыт, впускной закрыт. Отработавшие газы выталкиваются поршнем через выпускной клапан в выпускной коллектор. В конце такта выпускной клапан закрывается, и цикл повторяется.

Устройство и основные компоненты

Четырёхтактный двигатель состоит из нескольких систем и механизмов, работающих согласованно.

Кривошипно-шатунный механизм (КШМ)

Преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала. Включает поршень, поршневые кольца, поршневой палец, шатун, коленчатый вал и маховик. Маховик накапливает кинетическую энергию, обеспечивая равномерность вращения и преодоление мёртвых точек.

Газораспределительный механизм (ГРМ)

Управляет открытием и закрытием впускных и выпускных клапанов в строгой последовательности. Включает распределительный вал (распредвал), толкатели, коромысла, клапаны, пружины и ремень/цепь привода. В современных двигателях часто используются системы изменения фаз газораспределения (VVT, VTC, VANOS и др.).

Система смазки

Обеспечивает подачу масла к трущимся деталям (подшипники коленчатого и распределительного валов, поршневые кольца, цилиндры) для снижения трения, отвода тепла и удаления продуктов износа. Включает масляный насос, масляный фильтр, масляный поддон и каналы в блоке цилиндров.

Система охлаждения

Отводит избыточное тепло от цилиндров, головки блока и поршней. Бывает жидкостной (с радиатором, водяным насосом и термостатом) или воздушной (с вентилятором и рёбрами на цилиндрах). В большинстве современных автомобилей применяется жидкостная система.

Система питания

В бензиновых двигателях включает топливный бак, топливный насос, форсунки (в системах впрыска) или карбюратор (в устаревших моделях). В дизельных — топливный насос высокого давления (ТНВД), форсунки и систему Common Rail. Система подачи воздуха включает воздушный фильтр, дроссельную заслонку и впускной коллектор.

Система зажигания (только для бензиновых двигателей)

Обеспечивает воспламенение топливно-воздушной смеси в нужный момент. Включает катушку зажигания, распределитель (в старых системах), свечи зажигания и блок управления (в современных системах — электронный блок управления двигателем, ЭБУ).

Система выпуска

Отводит отработавшие газы из цилиндров, снижает их токсичность и шум. Включает выпускной коллектор, каталитический нейтрализатор (в бензиновых двигателях), сажевый фильтр (в дизельных), глушитель и датчики кислорода (лямбда-зонды).

Классификация

Четырёхтактные двигатели классифицируются по нескольким признакам.

По типу топлива

• Бензиновые — работают на бензине, воспламенение от искры.
• Дизельные — работают на дизельном топливе, воспламенение от сжатия.
• Газовые — работают на сжиженном или сжатом природном газе (метан, пропан-бутан), воспламенение от искры или сжатия.
• Многотопливные — способны работать на различных видах топлива (например, бензин и газ).

По числу цилиндров

• 1-цилиндровые (мотоциклы, мотоблоки)
• 2-цилиндровые (некоторые мотоциклы, малолитражки)
• 3-цилиндровые (современные малолитражные автомобили)
• 4-цилиндровые (самый распространённый тип в легковых автомобилях)
• 6-цилиндровые (рядные и V-образные, в автомобилях бизнес-класса и грузовиках)
• 8-цилиндровые и более (V8, V10, V12, W12 — в спортивных и представительских автомобилях, а также в спецтехнике)

По расположению цилиндров

• Рядные (R, I) — цилиндры расположены в один ряд.
• V-образные (V) — цилиндры расположены под углом (обычно 60° или 90°).
• Оппозитные (Boxer) — цилиндры расположены горизонтально друг напротив друга (например, двигатели Subaru и Porsche).
• W-образные — два V-образных блока, расположенных под углом (например, двигатели Volkswagen W12).

По способу смесеобразования

• С внешним смесеобразованием — топливо и воздух смешиваются до поступления в цилиндр (карбюраторные и некоторые системы впрыска).
• С внутренним смесеобразованием — топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр (дизельные и некоторые бензиновые двигатели с непосредственным впрыском).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Эффективность — четырёхтактные двигатели имеют более высокий КПД (25–40% у бензиновых, 35–45% у дизельных) по сравнению с двухтактными.
• Экологичность — меньше выбросов несгоревшего топлива и масла, возможность установки сложных систем очистки выхлопа.
• Долговечность — меньший износ деталей благодаря раздельной системе смазки и отсутствию смазки топливом.
• Тишина — работают тише двухтактных аналогов.

Недостатки

• Сложность конструкции — большее количество деталей (ГРМ, клапаны, система смазки), что увеличивает стоимость и сложность ремонта.
• Меньшая удельная мощность — по сравнению с двухтактными двигателями того же объёма, так как рабочий ход происходит только на каждом втором обороте.
• Больший вес — из-за наличия маховика, системы смазки и других компонентов.
• Необходимость в системе смазки — требует регулярной замены масла и фильтров.

Применение

Четырёхтактные двигатели используются в самых разных областях:

• Автомобилестроение — легковые и грузовые автомобили, автобусы.
• Мотоциклостроение — большинство современных мотоциклов, скутеров и мопедов.
• Судостроение — маломерные суда, катера, яхты.
• Энергетика — стационарные генераторы (бензиновые и дизельные электростанции).
• Сельское хозяйство — тракторы, комбайны, мотоблоки.
• Строительная техника — экскаваторы, бульдозеры, краны.
• Авиация — поршневые двигатели лёгких самолётов и вертолётов.

Интересные факты

• Первый четырёхтактный двигатель Отто имел мощность около 2 л.с. при массе более 200 кг.
• Самым мощным серийным четырёхтактным двигателем для легковых автомобилей является 8,0-литровый W16 от Bugatti (Chiron), развивающий 1500 л.с.
• В дизельных двигателях степень сжатия выше, чем в бензиновых, что позволяет достичь более высокого КПД, но требует более прочной конструкции.
• Современные четырёхтактные двигатели оснащаются системами турбонаддува, которые повышают мощность и экономичность за счёт использования энергии отработавших газов.
• В России крупнейшими производителями четырёхтактных двигателей являются ПАО «КАМАЗ» (грузовые автомобили), АО «АВТОВАЗ» (легковые автомобили), ОАО «Ярославский моторный завод» (ЯМЗ) и ОАО «Уральский дизель-моторный завод» (УДМЗ).

Источники

• Б. С. Стечкин, «Теория тепловых двигателей», 1950.
• А. И. Колчин, В. П. Демидов, «Расчёт автомобильных и тракторных двигателей», 2008.
• В. М. Архангельский, «Двигатели внутреннего сгорания», 2010.
• Энциклопедия «Автомобильные двигатели», под ред. Ю. А. Круглова, 2015.
• Материалы сайта «Автомобильный справочник» (раздел «Двигатели»).