Как работает двигатель? Простое объяснение четырехтактного цикла и ключевых частей

Контент

1 Четырехтактный цикл, шаг за шагом
2 Основные компоненты, которые делают цикл возможным
3 Фазы газораспределения: точность, которая определяет производительность
4 Куда движется крутящий момент после рабочего хода
5 Распространенные неисправности и о чем они сигнализируют
6 Электрифицированное управление клапанами: соленоиды в двигателе и воздушной системе
7 Что обеспечивает надежность двигателя с течением времени

Тяжелый грузовик с полным прицепом въезжает на подъем. Водитель открывает дроссельную заслонку, частота вращения двигателя стабилизируется на уровне 1800 об/мин, и каждый цилиндр срабатывает 900 раз в минуту. Внутри каждого из этих воспламенений повторяется одна и та же последовательность из четырех этапов: впуск, сжатие, мощность, выпуск. В этой статье объясняется, что происходит на каждом этапе, какие компоненты это выполняют, и почему та же дисциплина уплотнений, которая регулирует клапаны двигателя, также регулирует и пневматические клапаны коммерческого автомобиля.

Четырехтактный цикл, шаг за шагом

Почти каждый поршневой двигатель легковых и грузовых автомобилей работает по четырехтактному принципу. Один полный цикл производит один рабочий такт и требует двух полных оборотов коленчатого вала. Название каждого хода точно описывает, что делает поршень на этом этапе.

Впуск. Поршень опускается, когда впускной клапан открыт, всасывая воздух (и топливо в бензиновых двигателях с впрыском через порт) через впускной коллектор в цилиндр.
Сжатие. Оба клапана закрываются. Поршень поднимается и сжимает заряд до небольшой доли его первоначального объема. В дизельном двигателе одно только сжатие нагревает воздух настолько, что воспламеняется топливо, распыляемое в конце этого такта.
Власть. Заряд воспламеняется, и дымовые газы резко расширяются, толкая поршень вниз со значительной силой. Это единственный ход, передающий энергию коленчатому валу; весь крутящий момент двигателя исходит из этой фазы.
Выхлоп. Выпускной клапан открывается, и поднимающийся поршень выталкивает отработанные газы через выпускной коллектор, оставляя цилиндр готовым к следующему такту впуска.

Три из четырех ударов потребляют энергию. Вот почему коленчатый вал имеет маховик: инерция вращения устраняет зазор между рабочими тактами и обеспечивает плавное вращение двигателя на холостом ходу и под нагрузкой.

Четыре такта одного цикла двигателя с положениями клапанов на каждой фазе.
Инсульт	Поршневое движение	Впускной клапан	Выпускной клапан	Результат
Впуск	Вниз	Открыть	Закрыто	Цилиндр наполняется свежим зарядом
Сжатие	Вверх	Закрыто	Закрыто	Повышение давления и температуры
Мощность	Вниз	Закрыто	Закрыто	Сгорание толкает поршень
Выхлоп	Вверх	Закрыто	Открыть	Сгоревшие газы выводятся

Основные компоненты, которые делают цикл возможным

Список движущихся частей двигателя невелик, но каждая из них изготавливается с жесткими допусками, которые напрямую влияют на мощность, расход топлива и срок службы.

Цилиндр и поршень. Поршень движется внутри цилиндра и улавливает силу сгорания. Компрессионные кольца уплотняют зазор над поршнем; масляное кольцо соскребает излишки масла со стенок цилиндра.
Шатун и коленчатый вал. Шатун преобразует линейное движение поршня во вращение коленчатого вала. Ход кривошипа определяет длину хода, а длина хода во многом определяет характер крутящего момента двигателя.
Впускные и выпускные клапаны. Клапаны контролируют дыхание. Они совершают тысячи циклов в минуту и должны быть идеально герметичными в закрытом состоянии, поскольку любая утечка разрушает компрессию и приводит к сгоранию.
Свеча зажигания или топливная форсунка. Бензиновые двигатели воспламеняют сжатый заряд искрой. Дизельные двигатели впрыскивают топливо вблизи верхней мертвой точки и полагаются на теплоту сжатия, поэтому свеча зажигания отсутствует.
Масляный картер и масляный насос. В поддоне сохраняется запас масла, а насос подает его под давлением к подшипникам коленчатого вала, клапанному механизму и стенкам цилиндров. Подшипники никогда не контактируют с шейками напрямую — они сидят на тонкой гидродинамической масляной пленке.

Поршень выглядит как простой блок, однако он имеет тщательно рассчитанную конусность и овальность, так что при рабочей температуре он становится идеальным цилиндром. Допуски такого порядка отличают надежный двигатель от хронического масляного горелки.

Фазы газораспределения: точность, которая определяет производительность

Фаза газораспределения — это точный угол поворота коленчатого вала, при котором впускные и выпускные клапаны открываются и закрываются. Впускные клапаны обычно слегка открываются перед верхней мертвой точкой и закрываются задолго до нижней мертвой точки, используя инерцию поступающего заряда для более плотного заполнения цилиндра. Выпускные клапаны открываются перед нижней мертвой точкой, чтобы раньше сбросить давление, а затем остаются открытыми после верхней мертвой точки, поэтому выходящий газ создает эффект продувки, который втягивает свежий заряд.

При правильном выборе момента двигатель дышит полностью и топливо сгорает чисто. Когда он дрейфует - из-за растянутой цепи ГРМ, изношенной звездочки распределительного вала или зазора клапанов, который вышел за пределы технических характеристик - результаты предсказуемы: снижение крутящего момента на низких оборотах, более высокий расход топлива, плохая стабильность холостого хода или трудности с запуском в горячем состоянии.

Та же самая дисциплина клапанов распространяется и за пределы головки двигателя. Пневматический тормозной клапан с изношенным тарельчатым седлом или вялым плунжером поздно подает давление воздуха, что приводит к увеличению тормозного пути. Поддержание клапанного механизма двигателя в соответствии со спецификациями и воздушных клапанов грузовика в соответствии со спецификациями — это на самом деле одна и та же работа: контроль потока газа с помощью деталей, которые уплотняются и освобождаются в нужный момент. Более пристальный взгляд на компоненты пневматического тормозного клапана показывает, насколько близки параллели.

Куда движется крутящий момент после рабочего хода

От фланца коленчатого вала крутящий момент проходит через маховик к сцеплению или гидротрансформатору, затем через трансмиссию, карданный вал и оси, прежде чем достичь шин. В коммерческом грузовике коленчатый вал также приводит в движение воздушный компрессор, который заряжает резервуары пневматических тормозов, генератор переменного тока, который приводит в действие электрическую систему, насос гидроусилителя рулевого управления и водяной насос, обеспечивающий циркуляцию охлаждающей жидкости.

Пневматическая тормозная система работает как двигатель наоборот: вместо сгорания, создающего давление воздуха, накопленное давление воздуха создает тормозную силу. Компрессор наполняет резервуары до регулируемого давления, а клапаны сбрасывают это давление в тормозные камеры, когда водитель нажимает на педаль. Каждый клапан в этой цепочке — клапан защиты от давления, релейные клапаны, усилители, сливные клапаны — должен садиться, закрываться и освобождаться с той же надежностью, которую демонстрируют клапаны двигателя.

Booster Valve for Pneumatic and Hydraulic System Pressure Control

Бустерный клапан для регулирования давления в пневматической и гидравлической системе В пневматической тормозной цепи, где реакция клапана влияет на тормозной путь, этот бустерный клапан предназначен для регулирования давления, быстрого срабатывания и уменьшения колебаний давления. Посмотреть продукт →

Клапан, который заедает или садится поздно, меняет кривую давления в тормозной камере. Предохранительный клапан, который открывается слишком рано, приводит к истощению резервуаров в тот момент, когда они больше всего нужны; Бустерный клапан с загрязненным плунжером увеличивает время между движением педали и нажатием на тормоз. Ни одна из этих неисправностей не заявляет о себе так громко, как пропуски зажигания, но последствия измеряются тормозным путем.

Safety Valve Assembly for Controlled Overpressure Release

Узел предохранительного клапана для контролируемого сброса избыточного давления Этот узел предохранительного клапана предназначен для автоматического сброса избыточного давления, помогая защитить чувствительные к давлению автомобильные компоненты и поддерживать контролируемый сброс давления в системах высокого давления. Посмотреть продукт →

Распространенные неисправности и о чем они сигнализируют

Большинство проблем с двигателем связаны с ухудшением четырехтактного цикла по узнаваемой схеме. Анализ симптома на фоне цикла быстро сужает диагноз. В таблице ниже частые симптомы сопоставлены с их вероятными механическими причинами и ущербом, который они причиняют, если их игнорировать.

Частые симптомы двигателя, их вероятные причины и последствия их неустранения.
Симптом	Вероятная причина	Необработанный результат
Пропуски зажигания на холостом ходу или под нагрузкой	Слабая искра, неисправность форсунки, низкая компрессия.	Повреждение катализатора, потеря мощности, резкий холостой ход.
Стук при разгоне	Низкооктановое топливо, накопление углерода, слишком опережающее время.	Эрозия днища поршня, повреждение подшипников
Синий или серый дым выхлопных газов	Износ поршневых колец, течь маслосъемных колпачков.	Загрязнение свечей зажигания, рост расхода масла
Перегрев двигателя	Неисправность водяного насоса, заклинивание термостата, засорение радиатора.	Деформирована головка блока цилиндров, вышла из строя прокладка головки блока цилиндров.
Трудный запуск в горячем состоянии	Паровая пробка, негерметичная форсунка, низкая компрессия при проворачивании коленчатого вала.	Напряжение стартера, периодический отсутствие запуска.

Обратите внимание, сколько причин связано с герметизацией и синхронизацией. Утечка компрессии мимо седла клапана приводит к таким же пропускам зажигания, как и неисправная катушка зажигания, поэтому замена деталей без диагностики приводит к потере времени. Схема четырехтактного двигателя подскажет вам, где искать в первую очередь: если есть подозрение на компрессию, проверьте клапанный механизм перед заменой электроники.

Электрифицированное управление клапанами: соленоиды в двигателе и воздушной системе

Двигатели больше не являются чисто механическими, когда дело касается фаз газораспределения. Системы изменения фаз газораспределения сдвигают фазу распределительного вала с помощью гидравлического давления, управляемого электромагнитными регулирующими клапанами, оптимизируя перекрытие клапанов во всем диапазоне оборотов. В современных грузовиках аналогичным образом используются электромагнитные пилотные клапаны, управляющие пневматическим торможением, пневматической подвеской и контурами вспомогательного воздуха с помощью электрических сигналов вместо длинных механических связей.

Виды отказа соленоида одинаковы для всех этих применений: открытая или закороченная катушка, плунжер застрял в мусоре или уплотнение, которое больше не держит давление. Диагностика следует повторяемой последовательности: проверьте сопротивление катушки, подайте и отпустите питание, наблюдая за временем отклика, а также осмотрите поверхности седла и плунжера. Производственные требования одинаково последовательны: стабильность размеров, коррозионностойкие материалы и уплотнения, сохраняющие свою геометрию при температурных циклах.

Solenoid Valve Assembly A for Automotive Fluid and Pressure Control

Узел электромагнитного клапана A для контроля автомобильной жидкости и давления Этот узел электромагнитного клапана, созданный для электромагнитного управления потоком в автомобильных системах, уместен там, где требуется надежное срабатывание, устойчивость к утечкам и точное регулирование жидкости или давления. Посмотреть продукт →

Что обеспечивает надежность двигателя с течением времени

Опыт автопарка подтверждает, что три условия определяют срок службы двигателя: чистое масло, правильное охлаждение и фазы газораспределения, которые остаются в пределах технических характеристик. Правила технического обслуживания, которые защищают эти условия, просты, но пропуск любого из них ускоряет износ на протяжении всего цикла.

Интервалы замены масла. Тяжелые условия эксплуатации — тяжелые нагрузки, длительная работа на холостом ходу, пыльные площадки — разлагают масло быстрее, чем при движении по шоссе, поэтому соответственно сокращайте интервалы и используйте масло, соответствующее спецификации OEM.
Состояние охлаждающей жидкости. Срок действия ингибиторов коррозии истекает, даже если указатель температуры выглядит нормально. Плановые промывки предотвращают повреждение электролизом внутри алюминиевых головок цилиндров.
Регулировка клапанов. Механические клапанные механизмы требуют периодической проверки зазоров. Клапан, оставленный плотно закрытым, открывается раньше и закрывается позже, эффективно смещая карту синхронизации на расстояние между регулятором и штоком клапана.
Замена воздушного фильтра. Засоренный фильтр ухудшает воздухопроницаемость, увеличивая расход топлива и температуру выхлопных газов. Замените его чтением ограничения или интервалом, в зависимости от того, что наступит раньше.

Та же привычка выбирать проверенные, точно изготовленные детали применима и к пневматическому оборудованию. Независимо от того, является ли компонент седлом клапана двигателя или предохранительным клапаном воздушного бака, допуски и обработка определяют срок службы. Для справки: ЗИСТ Автозапчасти В каталоге продукции показано, как один производитель группирует пневматические тормозные клапаны, клапанные цилиндры в сборе, обрабатываемые детали и резиновые компоненты — полезная отправная точка при поиске подходящих деталей для парка автомобилей.