Как работи четиритактовият двигател: пълно ръководство за цикъла на горене

Четиритактовият двигател представлява основата на повечето съвременни превозни средства, като изобретателна система, която преобразува химическата енергия на горивото в механична енергия чрез четири отделни фази. Този работен цикъл, известен още като цикълът на Отто за бензиновите двигатели или цикълът на Дизел за дизеловите двигатели, се повтаря постоянно, за да се генерира мощността, необходима за движението на автомобила.

Разбирането му е от съществено значение за собствениците на автомобили и за по-любознателните потребители, които искат да разберат какво прави двигателят под капака.

Структура и основни компоненти

• Поршънът: подвижният елемент, който се движи вътре в цилиндъра
• Цилиндърът: пространството, в което се развива процесът на горене
• Всмукателни и изпускателни клапани: контролират входа и изхода на флуидите
• Кривошипният вал: преобразува линейното движение на поршъна в завъртане
• Свещ за запалване (за бензинови) или инжектор (за дизел): осигуряват запалването на горивото

Етап 1: Всмукване - въвеждане на сместа

• Всмукателните клапани са напълно отворени
• Изпускателните клапани остават плътно затворени
• При бензиновите двигатели горивно-воздушната смес се подготвя предварително
• При дизеловите двигатели в цилиндъра влиза само чист въздух
• Ефективността на този етап пряко влияе върху крайния въртящ момент на двигателя
• Неправилно всмукване може да намали значително производителността на автомобила

Етап 2: Компресия - подготовка за горене

• По време на този етап изпускателният и всмукателният клапан са затворени, създавайки напълно уплътнено пространство

• Поршънът се движи нагоре в цилиндъра, компресирайки сместа до част от първоначалния обем

• Степен на компресия: варира между 8:1–12:1 за бензинови двигатели и 14:1–23:1 за дизелови двигатели

• Повишаване на температурата: въздухът се нагрява чрез компресия до 300–500°C

• Налягане: нараства до 12–20 bar за бензин и 30–55 bar за дизел

При дизеловите двигатели високата температура от компресѝята е достатъчна за самозапалване на горивото, инжектирано в следващата фаза.

Етап 3: Горене и разширение - генериране на мощност

Това е моментът, в който химическата енергия се преобразува в механична енергия. Смесителят от гориво във вътрешността на цилиндъра се запалва:

• За бензинови двигатели: чрез искра, генерирана от свещ за запалване
• За дизелови двигатели: чрез самозапалване поради високата температура на компресия

Налягане и температура на горенето:

• Налягане: достига 30–40 bar за бензинови и до 150 bar за дизелови
• Температура: надвишава 2200°C, може да достигне до 2500°C
• Дължителност: пълното горене трае само няколко милисекунди

Поради това изключително високо налягане, поршънът се подава надолу силно в цилиндъра, предавайки силите от взрива към коляновия вал чрез свързващия шпатул/гьола (бие).

Етап 4: Изпускане - елиминиране на отработените газове

В последния етап всмукателният клапан остава затворен, а изпускателният клапан се отваря, за да позволи елиминиране на газовете от горенето.

• Изпускателният клапан се отваря преди поршънът да достигне долния мъртъв пункт
• Това ранно отваряне осигурява оптимално отстраняване на газовете за изпускане
• Газовете за изпускане имат температура 400–900°C
• Налягането на изпускане варира между 1,2–1,8 bar

Синхронизация и повторение на цикъла

Четирите такта се изпълняват през две пълни завъртания на коляновия вал (720 градуса). Перфектната синхронизация се осигурява от:

• Разпределителният вал: контролира отварянето и затварянето на клапаните
• Система за разпределение: ремък или верига за разпределение
• Маслена маса (волана): поддържа инерцията между циклите

При двигател, който работи на 3000 оборота в минута, цикълът се повтаря 1500 пъти в минута за всеки цилиндър, демонстрирайки изключителната прецизност, необходима за правилната работа.

Ефективност и модерни оптимизации

Двигателите с четири такта се възползват от множество оптимизации:

• Директно впръскване: подобрява ефективността на горивния процес
• Турбокомпресия: увеличава мощността чрез повишаване на плътността на въздуха
• Променливо газово разпределение на клапаните: оптимизира отварянето на клапаните според режимa на работа
• Системи за рециркулация на газовете: намаляват замърсяванията

Разбирането на тези четири основни такта предоставя солидна основа за разбирането на функционирането на всеки двигател с вътрешно горене, което е от полза както за автолюбителите, така и за тези, които искат да познават повече за автомобила, който управляват.