Двигатель Отто¶

Двигатель Отто — это тип поршневого двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением (от искры), работающий по четырёхтактному циклу, в котором топливо сгорает в цилиндре после сжатия рабочей смеси. Назван в честь немецкого инженера Николауса Отто, который в 1876 году создал первый практически пригодный четырёхтактный двигатель. Двигатели Отто являются основой для большинства современных бензиновых двигателей, используемых в автомобилях, мотоциклах, лодках, газонокосилках и другом оборудовании.

¶Принцип работы

Работа двигателя Отто основана на цикле, состоящем из четырёх тактов (ходов поршня), которые совершаются за два оборота коленчатого вала. Этот цикл называется циклом Отто.

¶Такты цикла Отто

1. Впуск: Поршень движется от верхней мёртвой точки (ВМТ) к нижней мёртвой точке (НМТ). Впускной клапан открыт, выпускной закрыт. В цилиндр поступает горючая смесь (воздух с топливом, обычно бензином), которая заполняет освобождающийся объём.
2. Сжатие: Поршень движется от НМТ к ВМТ. Оба клапана закрыты. Смесь сжимается, её температура и давление значительно повышаются. Степень сжатия в двигателях Отто обычно составляет от 8:1 до 12:1, что ограничивается детонационной стойкостью топлива.
3. Рабочий ход (сгорание и расширение): В момент, близкий к ВМТ, свеча зажигания даёт искру, воспламеняя сжатую смесь. Топливо сгорает очень быстро, выделяя большое количество тепла. Газы, расширяясь, толкают поршень вниз к НМТ. Оба клапана закрыты. Этот такт — единственный, при котором совершается полезная работа.
4. Выпуск: Поршень движется от НМТ к ВМТ. Выпускной клапан открыт, впускной закрыт. Отработавшие газы выталкиваются поршнем из цилиндра в выпускной коллектор. Затем цикл повторяется.

¶Отличие от цикла Дизеля

В отличие от дизельного двигателя, где топливо воспламеняется от сжатия воздуха, в двигателе Отто используется принудительное воспламенение от искры. Кроме того, в цикле Отто топливо и воздух смешиваются до поступления в цилиндр (в карбюраторе или впускном коллекторе), а в дизеле — непосредственно в цилиндре. Из-за более низкой степени сжатия и потерь тепла при дросселировании (регулировке мощности) термический КПД двигателя Отто ниже, чем у дизеля, и составляет в среднем 25–35% для атмосферных моделей.

¶История

¶Предшественники

Идея двигателя внутреннего сгорания возникла ещё в XVII веке. В 1860 году французский изобретатель Этьен Ленуар создал первый практически работающий газовый двигатель внутреннего сгорания, работавший по двухтактному циклу без сжатия. Его КПД был крайне низким (около 4%), а расход топлива — огромным.

¶Изобретение Николауса Отто

В 1861 году немецкий инженер Николаус Отто начал эксперименты с газовыми двигателями. В 1863 году он создал первый атмосферный двигатель, но он был неэффективен. В 1876 году Отто, совместно с инженером Готлибом Даймлером, построил первый четырёхтактный двигатель сжатия. Ключевым нововведением было предварительное сжатие рабочей смеси в цилиндре, что позволило резко повысить мощность и КПД.

Двигатель Отто 1876 года работал на светильном газе, имел мощность около 3 лошадиных сил и КПД около 14%, что было в три раза выше, чем у двигателя Ленуара. В 1877 году Отто получил патент на свой четырёхтактный двигатель.

¶Патентный спор и дальнейшее развитие

В 1886 году патент Отто был оспорен и частично аннулирован, так как выяснилось, что идея четырёхтактного цикла была описана французским инженером Альфонсом Бо де Роша в 1862 году. Однако именно Отто смог довести эту идею до практической реализации и наладить серийное производство.

После аннулирования патента многие компании начали производство двигателей Отто. В 1885 году Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах создали первый бензиновый двигатель с карбюратором, который был установлен на мотоцикл, а затем на автомобиль. В 1886 году Карл Бенц запатентовал свой трёхколёсный автомобиль с бензиновым двигателем. С этого времени началось массовое распространение двигателей Отто в транспортных средствах.

¶Классификация

Двигатели Отто классифицируются по нескольким признакам:

¶По типу топлива

• Бензиновые: Наиболее распространённый тип. Используют бензин с различным октановым числом. Требуют карбюратора или системы впрыска топлива.
• Газовые: Работают на сжиженном нефтяном газе (пропан-бутан) или сжатом природном газе (метан). Отличаются более чистым выхлопом и меньшей склонностью к детонации.
• Спиртовые: Используют этанол или метанол. Применяются в гоночных автомобилях и в некоторых странах как альтернатива бензину.

¶По способу смесеобразования

• Карбюраторные: Смесь готовится в карбюраторе. Устаревшая технология, вытеснена системами впрыска.
• С впрыском топлива: Топливо подаётся непосредственно во впускной коллектор (центральный или распределённый впрыск) или в цилиндр (непосредственный впрыск). Обеспечивает более точное дозирование топлива и лучшую экономичность.

¶По числу цилиндров и расположению

• Рядные: Цилиндры расположены в один ряд. Простые и компактные.
• V-образные: Цилиндры расположены под углом друг к другу. Обеспечивают большую мощность при меньшей длине.
• Оппозитные: Цилиндры расположены горизонтально друг напротив друга. Обеспечивают низкий центр тяжести и хорошую балансировку.
• W-образные: Комбинация двух V-образных блоков. Используются в мощных автомобилях.

¶По способу охлаждения

• Жидкостное: Охлаждение осуществляется циркулирующей жидкостью (антифризом). Наиболее распространено в автомобилях.
• Воздушное: Охлаждение осуществляется потоком воздуха. Применяется в мотоциклах, газонокосилках и некоторых старых автомобилях (например, «Запорожец»).

¶Устройство и основные компоненты

Основные конструктивные элементы двигателя Отто:

• Блок цилиндров: Основная корпусная деталь, в которой расположены цилиндры.
• Головка блока цилиндров (ГБЦ): Закрывает цилиндры сверху, содержит камеры сгорания, клапаны и свечи зажигания.
• Поршни: Перемещаются в цилиндрах, преобразуя давление газов в механическую работу.
• Шатуны: Соединяют поршни с коленчатым валом.
• Коленчатый вал: Преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное.
• Распределительный вал: Управляет открытием и закрытием клапанов.
• Клапаны: Впускные и выпускные, регулируют поступление смеси и выпуск газов.
• Свеча зажигания: Создаёт искру для воспламенения смеси.
• Система смазки: Обеспечивает подачу масла к трущимся деталям.
• Система охлаждения: Отводит избыточное тепло.
• Топливная система: Подаёт топливо и смешивает его с воздухом.

¶Применение

Двигатели Отто являются наиболее распространённым типом двигателей для легковых автомобилей во всём мире. Они также используются в:

• Мотоциклах и скутерах.
• Лодочных моторах.
• Генераторах и насосах.
• Газонокосилках, триммерах и другой садовой технике.
• Малой авиации (лёгкие самолёты, вертолёты).
• Гоночных автомобилях (например, в Формуле-1).

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Относительно высокая удельная мощность: По сравнению с дизельными двигателями аналогичного объёма, бензиновые двигатели Отто часто развивают большую мощность на единицу объёма.
• Меньший вес и компактность: Двигатели Отто легче и компактнее дизелей той же мощности.
• Плавность работы и меньшая вибрация: Благодаря более мягкому сгоранию.
• Более низкая стоимость производства: Проще в изготовлении, чем дизели.
• Широкий диапазон оборотов: Способны работать на высоких оборотах, что позволяет развивать высокую мощность.

¶Недостатки

• Более низкий КПД: По сравнению с дизельными двигателями, расход топлива выше.
• Меньший крутящий момент на низких оборотах: Для разгона с места требуется часто переключать передачи.
• Требовательность к качеству топлива: Чувствительны к октановому числу.
• Более сложная система зажигания: Требует обслуживания свечей, катушек и высоковольтных проводов.
• Большая пожароопасность: Бензин более летуч и воспламеняем, чем дизельное топливо.

¶Современные тенденции

В настоящее время двигатели Отто активно совершенствуются. Основные направления:

• Непосредственный впрыск топлива: Позволяет повысить КПД и мощность.
• Турбонаддув: Увеличивает мощность без увеличения объёма двигателя.
• Системы изменения фаз газораспределения: Оптимизируют работу двигателя на разных режимах.
• Деактивация цилиндров: Отключает часть цилиндров при малой нагрузке для экономии топлива.
• Гибридные силовые установки: Сочетание двигателя Отто с электродвигателем для снижения расхода топлива.
• Водородные двигатели: Разрабатываются двигатели Отто, работающие на водороде, что позволяет получить нулевой выброс CO2.