Като основен източник на енергия на съвременния автомобил, четири{0}}тактовият бензинов двигател преобразува химическата енергия на бензина в механична енергия, която задвижва автомобила напред чрез прецизно механично движение и термодинамична трансформация. Работи на четири последователни такта: всмукване, компресия, мощност и изпускане. Всеки ход съответства на определена траектория на движение на буталото и състояние на отваряне и затваряне на клапана, за да завърши пълен работен цикъл. Следва-задълбочен анализ на физическия процес, механизмите за преобразуване на енергията и ключовите технически параметри на четири-тактовия двигател.
I. Входен ход: подготовка на входа и горивната смес
Тактът на входа е началната точка на работа на двигателя. Когато буталото се движи от горната към долната част на цилиндъра, всмукателният клапан се отваря и изпускателният клапан се затваря. Докато буталото се спуска, обемът на цилиндъра се увеличава, което води до падане на вътрешното налягане под атмосферното налягане, образувайки зона на отрицателно налягане. По това време идеалното съотношение газ/масло от 14,7:1 се вкарва в цилиндъра през всмукателния колектор и клапана чрез атмосферно налягане. В примера на 1,5-литров двигател с естествено пълнене, буталото има притискаща сила от 8-10m/s, а цилиндърът има моментен вакуум от -80 kPa, осигурявайки достатъчна бензиново-електрическа хибридна мощност.
Ключовите технически параметри на този ход включват времето за отваряне на всмукателния клапан (обикновено 10-30 градуса ъгъл на коляновия вал преди горната мъртва точка) и времето за затваряне (40-60 градуса ъгъл на коляновия вал след долната мъртва точка), както и конструкцията на дължината и диаметъра на всмукателния колектор. Модерният двигател използва технология за променливо синхронизиране на клапаните, за да регулира динамично времето за отваряне и затваряне на входящия клапан, за да оптимизира ефективността на входящия клапан при различни скорости на двигателя. Системата i-VTEC на Honda, например, може да подобри ефективността на зареждане чрез удължаване на времето за отваряне на всмукателния клапан при скорост на двигателя.
ii. Ход на компресия: При повишена енергийна плътност и създаване на условия на горене за компресионен ход, всмукателните и изпускателните клапани са затворени, буталото се движи от долната към горната мъртва точка, обемът на цилиндъра намалява и бензиновата смес се компресира. По време на този процес механичната енергия се преобразува във вътрешна енергия на въздушно-горивната смес, което води до значително повишаване на нейното налягане и температура. За двигатели със съотношение на компресия 10,5: 1 въздушно-горивната смес в цилиндъра има налягане от 1,2-1,8 MPa и повишаване на температурата с 300 -400 градуса в края на такта на компресия.
Степента на компресия е основният параметър на хода и се определя като съотношението на общия обем на цилиндъра към обема на камерата на цилиндъра. По-високото съотношение на компресия може да подобри топлинната ефективност, но рискът от почукване трябва да бъде балансиран. Съвременните двигатели използват високо{2}}прецизни системи за впръскване на гориво (като директно впръскване) и сензори за детонация за наблюдение на условията на горене в реално време и динамично регулиране на ъгъла на запалване. Например двигателят на Volkswagen EA211 1.4T използва технология за директно впръскване, която впръсква гориво директно в цилиндъра и използва стратифицирано горене със съотношение на компресия 10:1, намалявайки склонността към експлозия.
III. Силов ход: Основният етап на изхода на енергия от двигателя е динамичното преобразуване на енергията вътре в двигателя в механичен ход. Докато буталото наближава горната мъртва точка, запалителната свещ произвежда електрическа искра с високо-напрежение (20-30kV), която запалва горивната смес от сгъстен въздух. Реакцията на горене завършва за 0,001 секунди, освобождавайки голямо количество топлинна енергия, което кара налягането на газа вътре в цилиндъра да скочи до 6-8 MPa и да достигне температура от 2000-2500 градуса. Газът с висока температура и високо налягане тласка буталото отгоре надолу до мъртвата точка, превръщайки линейното движение във въртене на коляновия вал чрез мотовилката, произвеждайки механична работа.
Ефективността на този процес зависи от скоростта на горене и контрола на освобождаването на енергия. Съвременните двигатели оптимизират разпръскването на горивото чрез порести инжектори, като инжектори с шест-дупки, и ги комбинират с технология на турбокомпресор, за да увеличат входящото налягане и да постигнат по-всеобхватно изгаряне. BMW B48 2.0T, например, използва турбодвигател с двоен-ос, който преобразува енергията на отработените газове във входящо налягане, увеличавайки налягането в цилиндъра с 20% и изходната мощност с 15% по време на движение на мощност.
IV. ВЪВЕДЕНИЕ ВЪВЕДЕНИЕ Въведение: Изпускателен ход: Изпускателна пътека, изпускателният клапан се отваря, всмукателният клапан се затваря, буталото от долната до горната мъртва точка за отстраняване на изгорелите отработени газове от цилиндъра. Температурите на отработените газове могат да достигнат 800-1000 градуса по Целзий с налягане приблизително 0,3-0,5 MPa. За да подобри ефективността на отработените газове, Hyundai е приел дизайн с двоен горен разпределителен вал (DOHC), който намалява остатъците от отработените газове чрез независимо контролиране на времето за отваряне и затваряне на всмукателните и изпускателните клапани. двигателят Toyota Dynamic Force 2.5L, например, оптимизира кривата на повдигане на изпускателния клапан, намалявайки остатъчните газове до по-малко от 5% от изпускателните газове.
Освен това отработените газове трябва да бъдат третирани от три-фазен каталитичен преобразувател, за да преобразуват въглеродния оксид (CO), въглеводородите (HC) и азотните оксиди (NOx) в безвреден въглероден диоксид (CO2), вода (H2O) и азот (N2). Съвременните двигатели използват управление със затворен-контур и сензори за кислород за наблюдение на състава на отработените газове в реално време и динамично регулиране на съотношението -към-пламък, за да гарантират, че емисиите отговарят на стандартите за емисии на Китай VI.
Заключение: Синергия между четири{0}}тактовия двигател и еволюцията на двигателя
Чрез прецизен контрол на времето и преобразуване на енергията, четири{0}}тактовият бензинов двигател постига ефективен преход от химическа енергия към механична енергия. От подготовката на бензин-маслената смес по време на всмукване, до увеличаването на енергийната плътност по време на компресията, до освобождаването на експлозивна енергия по време на мощността, до завършването на подготовката на цикъла по време на такта на изпускане, всеки етап изисква стриктно съответствие, за да се осигури стабилна работа на двигателя. С популяризирането на турбокомпресор, директно впръскване и регулиране на скоростта на преобразуване на честотата, топлинната ефективност на съвременните двигатели надхвърли 40%, което осигурява основна подкрепа за намаляване на емисиите за пестене на енергия и подобряване на производителността в автомобилната индустрия.
