◉ POISK ACADEMIAАВТОМОБИЛЬ ИЗНУТРИ
УСЛОВНЫЙ ДВС · 4 ЦИЛИНДРА В РЯД

Как работает рядный четырёхцилиндровый двигатель

Рядная четвёрка: четыре поршня в один ряд, общий коленвал и рабочие ходы через каждые 180°.

Как работает рядный четырёхцилиндровый двигатель: устройство и принцип работы

Как четыре толчка складываются в движение

Один вал на всех

Каждый поршень соединён шатуном с общим коленчатым валом. Когда один цилиндр даёт толчок, остальные проходят другие части своего цикла.

Работа по очереди

Представь команду на качелях: толкать удобнее по очереди. Здесь порядок работы цилиндров 1 → 3 → 4 → 2. Это выбранный пример, у других двигателей порядок может отличаться.

Четыре такта остаются

У каждого цилиндра есть впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Но их циклы сдвинуты по времени, поэтому толчки приходят чаще.

Поршни стоят в ряд

Цилиндры стоят один за другим вдоль коленвала. Поверни модель сбоку и посмотри, как расположены шейки вала и шатуны.

Как четыре цилиндра делят два оборота

Один цилиндр толкает вал только 180° из 720° цикла. Четыре цилиндра со сдвигом по 180° закрывают весь цикл: вал получает толчок каждые пол-оборота.

  • Порядок 1‑3‑4‑2. Шатунные шейки 1 и 4 стоят на одной линии, 2 и 3 — напротив. Поршни ходят парами: 1 и 4 вверх, 2 и 3 вниз. Какой из пары работает, решает распредвал: у одного сжатие, у другого выпуск.
  • Распредвал вдвое медленнее. Звёздочка коленвала 21 зуб, распредвала — 42. За два оборота коленвала распредвал делает один и открывает впускной и выпускной клапаны каждого цилиндра по одному разу.
  • Цепь держит фазы. Ведущая ветвь тянет распредвал, натяжитель выбирает слабину ведомой. Цепь, растянутая на 0,6 %, сдвигает фазы на несколько градусов, а перескок на один зуб — ещё на 17°.
  • Момент складывается. Каждый цилиндр толкает вал моментом до 560 Н·м, а на сжатии тормозит его. Сумма четырёх скачет от −120 до +560 Н·м, средний момент около 150 Н·м. Остаток пульсаций сглаживает маховик.
  • Цикл Аткинсона. Впуск закрывается не через 40°, а через 100° после НМТ: поршень выталкивает почти половину смеси обратно, сжатие начинается поздно (5,6 вместо 9,7), а расширение остаётся полным — 10,5. Момент ниже, зато газы расширяются сильнее, чем сжимались, и дроссель открыт шире. Поэтому цикл ставят на гибриды: электромотор добавляет момент на низких оборотах, ДВС работает в зоне лучшего КПД.
Детали в модели «Рядный четырёхцилиндровый двигатель»
  • Поршни. Алюминиевые, диаметр 86 мм, ход 86 мм. На рабочем ходу газы давят на днище с силой до 27 кН (около 47 бар). В любой момент четыре поршня находятся в четырёх разных тактах.
  • Шатуны. Кованые, 145 мм между осями. Верхняя головка сидит на пальце Ø20 мм, нижняя разъёмная: крышка на двух болтах и вкладыши на шатунной шейке Ø48 мм.
  • Коленчатый вал. 5 коренных шеек Ø55 мм, 4 шатунные Ø48 мм. Колена 1 и 4 смотрят в одну сторону, 2 и 3 — в противоположную (180°), поэтому вспышки идут через каждые 180°. 8 противовесов гасят вибрацию.
  • Маховик. Диск Ø290 мм с венцом на 118 зубьев для стартера. Запасает энергию вспышек: суммарный момент цилиндров скачет от −120 до +560 Н·м, а маховик сглаживает вращение.
  • Головка блока. Алюминиевая отливка высотой 106 мм. В каждом цилиндре плоская камера-«ванна» глубиной 6,5 мм, впускной канал уходит в одну сторону, к впускному коллектору, выпускной — в другую, к выпускному. Сверху постели одного распредвала. Голубым в разрезе — рубашка охлаждения.
  • Клапаны и сёдла. 8 клапанов стоят в один ряд вдоль двигателя: в каждом цилиндре впускной (тарелка 38 мм) ближе к цепи, выпускной (32 мм) — ближе к маховику. Подъём 9 и 8,5 мм. Тарелка садится на запрессованное седло и запирает камеру сгорания.
  • Прокладка ГБЦ. Многослойная стальная, около 1 мм. Рассчитана на давление сгорания 60–80 бар и выше (в модели пик около 47 бар), разделяет цилиндры, каналы антифриза и масла. Между соседними цилиндрами перемычка всего около 7 мм.
  • Направляющие клапанов. Втулки длиной 40 мм держат стержень клапана Ø6 мм точно по оси седла. Нижний конец втулки выступает в канал, сверху на ней стоит резиновый маслосъёмный колпачок.
  • Блок цилиндров. Алюминиевый, цилиндры через 96 мм. Внизу 5 коренных опор с крышками на двух болтах. Голубым в разрезе — рубашка охлаждения и сверления между цилиндрами.
  • Цилиндры (гильзы). Чугунные гильзы Ø86 мм, залитые в блок. Хонингованная поверхность держит масло для колец. Рабочий объём цилиндра 500 см³, двигателя — 2,0 л.
  • Поршневые кольца. Два компрессионных кольца и маслосъёмное на каждом поршне. Держат газы над поршнем и оставляют на стенке масляную плёнку в несколько микрон.
  • Коренные вкладыши. Тонкие стальные полукольца с антифрикционным слоем. Зазор во вкладыше 0,03–0,05 мм заполнен маслом; под нагрузкой масляный клин тоньше — несколько микрон. Масло подаётся под давлением 2–5 бар.
  • Распредвал. Один вал над клапанами (SOHC), 8 кулачков — свой у каждого клапана. Вращается вдвое медленнее коленвала. Кулачки цилиндров, соседних по порядку работы, повёрнуты друг относительно друга на 90°.
  • Цепь и звёздочки ГРМ. Роликовая цепь с шагом 8 мм спереди двигателя, со стороны, противоположной маховику. Звёздочка коленвала 21 зуб, распредвала — 42: коленвал : распредвал = 2 : 1, распредвал вращается вдвое медленнее. Цепь смазывается маслом.
  • Натяжитель и успокоитель. Гидронатяжитель маслом и пружиной давит на поворотный башмак со стороны ведомой ветви. Неподвижный успокоитель держит ведущую ветвь, которая тянет распредвал.
  • Толкатели (стаканы). Стаканы Ø34 мм: кулачок давит на донышко, стакан — на стержень клапана. Тепловой зазор 0,2–0,3 мм выставляют шайбами или выбирает гидрокомпенсатор.
  • Клапанные пружины. Прижимают клапан к седлу усилием около 200 Н, при полном подъёме — до 450 Н, чтобы стакан не отрывался от кулачка на высоких оборотах.
  • Свечи зажигания. По одной на цилиндр. Центр камеры занят клапанами, поэтому свеча вкручена сбоку, со стороны впуска, под углом 35°: электрод выходит в край камеры. Искра проскакивает за 20° до верхней мёртвой точки, по очереди 1‑3‑4‑2.
  • Поддон и масло. Хранит около 4,5 л масла. Насос забирает его и подаёт к вкладышам, распредвалу и натяжителю цепи.
  • Впускной коллектор. Ресивер с дроссельной заслонкой и четыре патрубка по 280 мм — по одному на впускной канал каждого цилиндра.
  • Выпускной коллектор. Четыре трубы сводятся в одну. Газы на выходе из цилиндра — около 800 °C.
Показ по шагам
  1. Четыре цилиндра — четыре такта. Пока в первом цилиндре рабочий ход, в третьем сжатие, в четвёртом впуск, а во втором выпуск. Цвет газа: голубой — свежая смесь, оранжевый — горение, серый — отработавшие газы.
  2. Порядок работы 1‑3‑4‑2. Каждые 180° коленвала вспыхивает следующий цилиндр. Смотрите на вспышки свечей и на полосу порядка работы под моделью.
  3. Коленвал: колена через 180°. Шейки 1 и 4 цилиндров смотрят в одну сторону, 2 и 3 — в другую. Поршни ходят парами, а 8 противовесов уравновешивают вал.
  4. Два клапана в одном разрезе. Все 8 клапанов стоят в ряд в плоскости разреза: впускной ближе к цепи, выпускной — к маховику. Кулачок давит на стакан, стакан — на клапан, пружина возвращает его на седло. Выпускной канал уходит к выпускному коллектору, впускной — в другую сторону, к ресиверу.
  5. Цепь спереди двигателя. Звёздочка коленвала 21 зуб, распредвала — 42: распредвал крутится вдвое медленнее. Натяжитель давит на башмак ведомой ветви, успокоитель держит ведущую.
  6. Цикл Аткинсона. Впускной кулачок становится шире: клапан закрывается через 100° после НМТ. Поршень уже идёт вверх и выталкивает смесь обратно в канал — смотрите на голубые частицы и на p‑V диаграмму: сжатие начинается позже, пик давления ниже. Такой режим ставят на гибриды: электромотор добавляет момент, а ДВС работает экономичнее.
  7. Обратный выброс в движении. В каждом цилиндре после НМТ впуск ещё открыт, и часть смеси уходит назад во впускной коллектор. Сжатие эффективно начинается только после закрытия клапана, а расширение остаётся полным.
Что ломается и как это проявляется
  • Растянута цепь ГРМ. Признаки: первые 1–2 секунды после пуска спереди двигателя слышен треск, горит Check Engine с ошибкой рассогласования коленвала и распредвала. Двигатель хуже тянет и иногда троит. Что проверить: совмещение меток в ВМТ, вылет штока натяжителя, отклонение фаз в сканере. Цепь меняют вместе со звёздочками, башмаками и натяжителем.
  • Отказ натяжителя цепи. Признаки: сильный треск спереди при пуске и на холостых, который стихает с ростом оборотов или не стихает совсем. Если не ремонтировать, цепь может перескочить. Что проверить: ход плунжера и обратный клапан натяжителя, износ башмаков, давление масла. Растянутую цепь меняют вместе с натяжителем.
  • Износ колец в 3‑м цилиндре. Признаки: сизый дым при перегазовке, масло уходит быстрее 0,5 л на 1000 км, компрессия в третьем цилиндре 8–9 бар против 12–13 в остальных, свеча третьего цилиндра в масляном нагаре. Что проверить: компрессию сухую и с ложкой масла в цилиндре (вырастает с маслом — виноваты кольца), тест утечки, давление картерных газов.
  • Пробита прокладка между 2 и 3. Признаки: двигатель троит, особенно на холодную. Компрессия во втором и третьем цилиндрах одинаково низкая, бывают хлопки во впуск. Что проверить: компрессию: два соседних цилиндра с одинаково низкой — признак пробоя между ними. Тест утечки: воздух выходит через соседний цилиндр. Плоскость головки — на коробление.
  • Погнут клапан после перескока. Признаки: двигатель заглох на ходу и не заводится или заводится и сильно троит. Стартер крутит неровно, в одном цилиндре нет компрессии. Что проверить: не крутить стартером повторно. Проверить метки и компрессию, осмотреть цилиндры эндоскопом. Ремонт: снять головку, заменить клапаны, направляющие и колпачки, поставить новый комплект цепи.
  • Износ коренного вкладыша. Признаки: глухой низкий стук снизу двигателя, сильнее под нагрузкой. На прогретом двигателе на холостых мигает лампа давления масла. Что проверить: давление масла манометром на прогретом двигателе, стружка в масле и фильтре. Ехать нельзя: вкладыш может провернуться и заклинить вал.
Упрощения модели
  • Камера сгорания нарисована мельче настоящей, чтобы клапаны и поршень были видны в одном разрезе: по чертежу её объём меньше, чем нужно для сжатия 10,5. В расчётах давления принято сжатие 10,5.
  • Вращение замедлено: на холостых 750–800 об/мин цикл 720° длится около 0,15 с.
  • Давление и момент посчитаны для полной нагрузки и не зависят от оборотов; силы инерции поршней и шатунов не учтены.
  • Зазоры во вкладышах, между клапаном и поршнем и вытяжка цепи увеличены, чтобы их было видно. Цепь показана роликовой, без верхнего успокоителя, масляного насоса и его привода.
  • Блок и головка разрезаны одной плоскостью по осям цилиндров и клапанов. Клапаны, пружины, стаканы, распредвал и свечи показаны целыми; свечи — без колодцев, катушки упрощены.
  • При износе вкладыша третья опора нарисована целой, хотя блок разрезан: срезанная половина перегородки и крышки показана стеклом. Без разреза у этой опоры вырезано окно в юбке картера, поддоне и масле. Зазор истёртого вкладыша (1,4 мм) и опускание вала при ударе увеличены, но щели на экране почти не видно; утечка масла показана условно.
  • Цикл Аткинсона — учебный режим той же модели: переключатель сразу меняет профиль впускных кулачков. В реальных двигателях позднее закрытие впуска делают фазовращателем впуска или отдельным профилем кулачка, а переключение «на ходу» здесь — упрощение. Геометрическое сжатие у таких двигателей 12–14, чтобы эффективное осталось около 9–10; здесь геометрия одна (10,5), поэтому эффективное падает до 5,6.
  • Давление, момент и КПД в режиме Аткинсона — условная оценка: сжатие идёт по политропе от закрытия впуска, масса заряда пропорциональна объёму цилиндра в этот момент, КПД — идеальный цикл (k = 1,3) с насосными потерями при одинаковой мощности. Это не расчёт реального двигателя.
  • Нет генератора, насосов и навесного оборудования: смазка, охлаждение и впрыск разобраны в отдельных лабораториях.

Связанные узлы и детали

Модель показывает принцип работы. Геометрия и режимы упрощены для обучения.

Гибридный привод: двигатель и трансмиссия