Учебный пример — бензиновый четырёхтактный двигатель. Один цикл занимает два оборота коленвала. Электромотор работает иначе.
Как работает ДВС в сборе: устройство и принцип работы
Превращает энергию топлива во вращение.
Впуск
Открытый впускной клапан пропускает воздух и топливную смесь в цилиндр.
Сжатие
Оба клапана закрыты. Поршень идёт вверх и сжимает смесь.
Рабочий ход
Искра начинает горение около конца сжатия. Расширяющиеся газы толкают поршень вниз.
Выпуск
Поршень вытесняет газы через открытый выпускной клапан.
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.
Показ по шагам
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.
Порядок работы 1‑3‑4‑2. Каждые 180° коленвала вспыхивает следующий цилиндр. Смотрите на вспышки свечей и на полосу порядка работы под моделью.
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.
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.
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.
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
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.
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.