Классификация по взаимному расположению цилиндров

Рабочий цикл двухтактного двигателя происходит за один оборот коленчатого вала, что позволяет снимать в 1,5-1,7 раз бо́льшую мощность с того же рабочего объёма при тех же оборотах двигателя. Это особенно актуально при создании низкооборотных двигателей средних и тяжёлых судов, позволяя напрямую соединять двигатель с гребным валом, вращающим винт регулируемого шага.

По этой же причине детали двигателя находятся в более напряжённом тепловом режиме. В двигателях большой мощности может потребоваться дополнительное охлаждение поршней. С другой стороны за счёт меньшего количества движений поршня в рабочем цикле уменьшаются потери на трение.

Ещё одна проблема двухтактных двигателей в том, что необходимо искать компромисс между качеством продувки и потерями свежего заряда. В отличие от четырёхтактного двигателя, где между тактами выпуска и впуска поршень находится в верхней мёртвой точке, почти полностью вытесняя выхлопные газы, в двухтактном продувка происходит во всём объёме цилиндра сразу, причём за достаточно короткое время. При этом невозможно полностью исключить смешивание свежего заряда с выхлопными газами. Особенно проблема потерь заряда актуальна для карбюраторных двигателей, так как в них в цилиндр во время продувки поступает готовая рабочая смесь. В целом двухтактные двигатели имеют в 1,5-2 раза больший расход воздуха, из-за чего могут требовать более сложных воздушных фильтров. Также в отличие от четырёхтактного двигателя при использовании турбонаддува энергия поступающего из турбокомпрессора воздуха не передаётся через поршень на коленчатый вал двигателя, в то же время выхлопные газы при выпуске не оказывают противодавления на поршень.

Двухтактный двигатель может быть как более простым (при контурной кривошипно-камерной продувке), так и более сложным, чем четырёхтактный.

2)Четырёхтактный двигатель.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочий процесс в каждом из цилиндров совершается за два оборота коленчатого вала, то есть за четыре хода поршня (такта). Этими тактами являются:

Впуск' — (такт впуска, поршень идёт вниз) свежая порция топливно-воздушной смеси всасывается в цилиндр через открытый впускной клапан.

Сжатие (такт сжатия, поршень идёт вверх) впускной и выпускной клапаны закрыты, и топливно-воздушная смесь сжимается в объёме.

Рабочий ход (такт рабочего хода, поршень идёт вниз) сжатое топливо воспламеняется свечой зажигания, расположенной над поршнем, при сгорании высвобождается энергия, которая воздействует на поршень, заставляя его двигаться вниз. Фактически на такте рабочего хода происходит работа двигателя.

Выпуск (такт выпуска, поршень идёт вверх) на этом такте открываются выпускные клапаны, и выхлопные газы, проходя через них, очищают цилиндр.

По окончании 4-го такта цикл повторяется.

Главные особенности четырехтактного двигателя:

1. Газообмен в цилиндре  полностью обеспечивается перемещением рабочего поршня;

2. Для переключения полости  цилиндра на впуск и на выхлоп  используется отдельный газораспределительный механизм;

3. Каждая фаза газообмена  выполняется во время отдельного  полуоборота коленчатого вала.

Идеализированный цикл Отто, показанный в координатах давление (Р) и объём (V):  такт впуска(A) , представляющий собой изобарическое расширение; за ним следует  такт сжатия (B) , представляющий собой адиабатический процесс. Далее следуют сжигание топлива, которое является изохорическим процессом, и адиабатическое расширение, характеризующие  такт рабочего хода (C) . Цикл завершается изохорическим процессом и изобарическим сжатием, характеризующими

 такт выпуска (D) . TDC — верхняя мёртвая точка; BDC — нижняя мёртвая точка

Четырёхтактный двигатель впервые был запатентован Алфоном де Роше (англ.) в 1861 году. До этого около 1854—1857 годов два итальянца (Евгенио Барсанти и Феличе Матоцци) изобрели двигатель, который, по имеющейся информации, мог быть очень похож на четырёхтактный двигатель, однако тот патент был утерян.

Первым человеком, построившим первый практически используемый четырёхтактный двигатель, был немецкий инженер Николаус Отто. Поэтому четырёхтактный цикл известен как цикл Отто, а четырёхтактный двигатель, использующий свечи зажигания, называется двигателем Отто.

Идеальный цикл Отто состоит из адиабатического сжатия, сообщения теплоты при постоянном объёме, адиабатического расширения и отдачи теплоты при постоянном объёме. В практическом четырёхтактном цикле Отто имеются также изобарическое сжатие (выхлоп) и изобарическое расширение (впуск), которые обычно не рассматриваются, так как в идеализированном процессе они не играют роли ни в сообщении рабочему газу теплоты, ни в совершении газом работы.

Газораспределительный механизмАтрибутивный агрегат четырехтактного двигателя, осуществляет смену тактов двигателя, обеспечивая поочередное подключение полости цилиндра к впускному и выхлопному коллекторам.

Управление газораспределением может осуществляться:

- распределительным кулачковым валом или валами;

- цилиндрическими гильзовыми  золотниками, движущимися возвратно-поступательно  либо вращающимися в головке цилиндров;

- микропроцессором. В этом  случае привод клапанов непосредственно  осуществляется электромагнитами (БМВ)

В первом случае клапанами управляет распределительный вал, вращающийся вдвое медленнее коленчатого вала. Распределительный вал имеет несколько кулачков, каждый из которых управляет одним впускным или выхлопным клапаном. От распредвалов часто приводятся дополнительные сервисные устройства двгателя - масляные, топливные насосы, распределитель зажигания, ТНВД, иногда - механические нагнетатели и др.

В разных двигателях используются один или несколько распределительных валов, расположенных возле коленвала, над рядом цилиндров или даже над каждым рядом клапанов. Привод распредвалов осуществляется от коленвала либо распределительными шестернями, либо пластинчато-роликовой цепью, либо зубчатым ремнем. В некоторых старых конструкциях использовались валики с коническими шестернями (В-2).

В любом случае вал, расположенный рядом с коленчатым, называют нижним, в головке над или рядом с клапанами - верхним. Привод клапанов от нижнего вала осуществляется, как правило, штанговым механизмом, от верхнего либо через рокеры (коромысла), либо через цилиндрические толкатели. Во многих двигателях используются гидравлические толкатели, автоматически выбирающие зазоры в клапанных парах и делающие механизм газораспределения необслуживаемым.

Клапан представляет собой стержень с тарелкой, выполненной из жаростойких материалов. Стержень клапана совершает возвратно-поступательные движения в направляющей втулке, тарелка коническим герметизирующим пояском ложится на клапанное седло, также выполняемое из жаростойких материалов. И седло, и направляющая втулка являются контактными поверхностями, через которые осуществляется охлаждение клапана. Особено важно это положение для выхлопных клапанов, которые постоянно работают в потоках горячих газов (а при неправильной установке зажигания или момента впрыска - в потоке пламени) и нуждаются в интенсивном теплоотводе. Поэтому для улучшения охлаждения внутри стержня клапана может располагаться полость с теплопроводным материалом - с натрием, с медью. А сами контактирующие поверхности должны быть гладкими и иметь минимально возможные зазоры. Многие клапаны имеют механизмы поворота, обеспечивающие принудительное вращение вокруг продольной оси в процессе работы.

Открытие клапана осуществляет соответствующий кулачок, закрытие - либо возвратна клапанная пружина/пружины, либо особый десмодромный механизм (Даймлер-Бенц), позволяющий из-за отсутствия пружин достичь очень высоких скоростей перемещения клапанов и, соответственно, существенно поднять обороты двигателя без существенного повышения усилий в механизме распределения. Дело в том, что чем слабее клапанная пружина, тем медленнее возврат клапана в седло. Уже при работе на относительно невысоких оборотах слабые пружины позволяют клапанам "зависать" и соприкасаться с поршнями (двигатели ВАЗ без внутреннего ряда клапанных пружин - на 5500-6000 об/мин). Чем сильнее клапаные пружины, тем большие напряжения испытывают детали ГРМ и тем более качественное масло должно использоваться для его смазки. Десмодромный механизм позволяет перемещать клапана с такой скоростью, которая ограничена только моментом их инерции, то есть, существенно более высокой, чем достижимые для клапанов скорости в реальных двигателях.

Электромагнитное управление, сверх этого, позволяет легко корректировать фазы газораспределения двигателя.

Некоторые ранние модели двигателей ("Харлей-Дэвидсон", "Пежо") имели впускные клапаны со слабенькими пружинками, обеспечивавшими "автоматическое" открывание клапана после начала впуска под действием вакуума над поршнем.

Для коррекции фаз газораспределения в ГРМ с распредвалами используются разного рода дифференцирующие механизмы, их конструкция зависит от компоновки двигателя и ГРМ (которая во многом определяет компоновку всего ДВС).

3) Шеститактный двигатель.

Это тип двигателя внутреннего сгорания, для которого за основу взят четырёхтактный двигатель, в котором полный цикл работы происходит за шесть движений поршня. К шеститактным двигателям относят также двигатель типа M4+2, имеющий два поршня, в котором за полный рабочий цикл один поршень совершает 4 движения, а второй — 2.

Двигатель такого вида первые 4 такта работает по циклу Отто или Дизеля, а затем в цилиндр подаётся охлаждённый воздух или вода. За счёт расширения воздуха или испарения воды происходит дополнительное охлаждение стенок цилиндра и снижение тепловых потерь двигателя В этом случае имеется два рабочих хода — один с топливом, а другой с паром или воздухом. К этому классу двигателей относятся: двигатель Баюласа (англ. Bajulaz), созданный швейцарской компанией Баюлас; двигатель Кроуэра, изобретённый Брюсом Кроуэром (англ. Bruce Crower) из США; и шеститактный двигатель Велозета (англ. Velozeta), построенный в инженерном колледже в Тируванантапураме в Индии.

Двигатели M4+2 реализованы в двигателях Бир Хэд, содержащих два противоположно расположенных поршня в одном цилиндре. Один из поршней движется с частотой, равной половине частоты другого поршня. Такая конструкция позволяет отказаться от клапанного механизма, заменив его продувочными и выпускными окнами, а также достичь большой степени сжатия. К таким двигателям относятся двигатель Бир Хэд (англ. Beare Head), изобретённый австралийцем Малькольмом Биром (англ. Malcolm Beare); и Немецкий Заряжающийся насос (англ. German Charge pump), изобретённый Хельмутом Котманном (англ. Helmut Kottmann).

Двигатель ГриффинаВ 1883 году, инженер Сэмюэл Гриффин (англ. Samuel Griffin) был авторитетным создателем паровых и газовых двигателей. Он хотел производить двигатели внутреннего сгорания, но без лицензионных отчислений за патенты Отто. Он нашёл выход в том, чтобы «запатентовать скользящий клапан» и производить шеститактный двигатель однократного действия, использующий его.

К 1886 году шотландский производитель паровозов Dick, Kerr & Co пришёл к выводу о хорошем будущем больших двигателей, работающих на топливах из нефти, и получила лицензию на патенты Гриффина. Эти двигатели продавались под маркой «Килмарнок» (англ. "Kilmarnock")[2]. Большая часть рынка для двигателей Гриффина находилась в сфере производства электроэнергии. Эти большие тяжёлые двигатели не комплектовались для мобильного использования, но они могли работать на более тяжёлых и дешёвых видах нефтяного топлива.

Ключевым элементом «Симплекса Гриффина» являлась внешне расположенная испарительная камера (дистиллятор). В ней поддерживалась температура 288 °C — достаточная для выпаривания нефти, но не для её химического разложения. Такое разделение на фракции позволяло использовать тяжёлые нефтяные топлива, неиспользуемый дёготь и битум отделялись в дистилляторе.

 

III)Классификация двигателей внутреннего сгорания по способу воспламенения.

1) Дизельный двигатель.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распылённого топлива от воздействия разогретого при сжатии воздуха.

Спектр топлива для дизельных двигателей весьма широк, сюда включаются все фракции нефтеперегонки от керосина до мазута и ряд продуктов природного происхождения — рапсовое масло, фритюрный жир, пальмовое масло и многие другие. Дизельный двигатель может с определённым успехом работать и на сырой нефти.

                                  Недостатки дизельного двигателя.

Явными недостатками дизельных двигателей являются помутнение и застывание (запарафинивание) летнего дизельного топлива при низких температурах. Также они крайне чувствительны к загрязнению топлива механическими частицами и водой, топливная аппаратура дороже и существенно сложнее в ремонте, так как и форсунки и ТНВД являются прецизионными устройствами. Ремонт дизельных двигателей вообще значительно дороже ремонта бензиновых моторов аналогичного класса. Литровая мощность дизельных моторов также, как правило, уступает аналогичным показателям бензиновых моторов, хотя дизельные моторы обладают более ровным и высоким крутящим моментом в своём рабочем объёме. Экологические показатели дизельных двигателей значительно уступали до последнего времени двигателям бензиновым. На классических дизельных двигателях с механически управляемым впрыском возможна установка только окислительных нейтрализаторов отработавших газов, работающих при температуре отработавших газов свыше 300 °C, которые окисляют только CO и CH до безвредных для человека углекислого газа (CO2) и воды. Также раньше данные нейтрализаторы выходили из строя вследствие отравления их соединениями серы (количество соединений серы в отработавших газах напрямую зависит от количества серы в дизельном топливе) и отложением на поверхности катализатора частиц сажи.

2) Компрессионный карбюраторный двигатель.

Тип поршневого карбюраторного двигателя внутреннего сгорания, в котором воспламенение топливо-воздушной смеси происходит от высокой температуры при её сжатии.

Топливом является, как правило, смесь диэтилового (медицинского) эфира, керосина и касторового масла в равных пропорциях. Подача топлива, как правило, самотёком из топливного бака.В компрессионных модельных двигателях карбюратор, как правило, простейший — достаточно одного жиклёра с винтовой иглой для регулирования качества смеси. Некоторые модели, например «МК-17» имели сменный диффузор; с малым диаметром — для начинающих авиамоделистов, с больши́м — для более опытных. Двигатель с малым диффузором развивал меньшие обороты и мощность, неопытный «пилот» тренировался на менее скоростном «самолёте». Продувка - кривошипно-камерная с вращающимся дисковым золотником. Глушитель и воздушный фильтр отсутствуют.Степень сжатия регулируется контрпоршнем — подвижным поршнем, расположенным в головке цилиндра, изменяющим объём камеры сгорания. Контрпоршень перемещается винтом, расположенным в рубашке охлаждения цилиндра и фиксируется контргайкой от самопроизвольного выворачивания.