Автоматроны
EN
  1. 1 впуск
  2. 2 впуск
  3. 3 впуск
  4. 4 впуск

Четырёхтактный двигатель

Рядная четвёрка из 71 детали. Коленвал, шатуны, поршни, ремень, распредвал и восемь клапанов движутся по законам механики — каждая деталь сама по себе, связанная с соседями шарнирами, зубьями и пружинами.

Возьмитесь за ручку спереди и крутите — мышью или пальцем. Потяните фон, чтобы осмотреть со всех сторон.

Как это устроено ↓

Что перед вами

Рядный четырёхцилиндровый двигатель в разрезе, каким его собирают из деталей. Внизу коленчатый вал: он сложен из щёк и шеек, потому что сплошной вал прошёл бы сквозь шатуны, которые над ним проворачиваются. На каждой из четырёх шеек — шатун, наверху шатуна — поршень в прозрачном цилиндре. Спереди на валу маховик, шкив и ручка.

Шкив коленвала через зубчатый ремень вращает шкив вдвое большего диаметра на распределительном валу. На распредвале восемь кулачков, под каждым — клапан с роликом и пружиной: два клапана на цилиндр, впускной и выпускной. Кулачок давит на ролик и открывает клапан, пружина закрывает его обратно.

Четыре такта

Цикл одного цилиндра занимает два оборота коленвала — четыре хода поршня:

  1. Впуск. Поршень идёт вниз, впускной клапан открыт — цилиндр наполняется свежей смесью. На модели она голубая.
  2. Сжатие. Оба клапана закрыты, поршень идёт вверх и сжимает смесь — голубой становится гуще.
  3. Рабочий ход. У верхней точки смесь поджигают, газы толкают поршень вниз. Это единственный ход, который крутит вал, — на модели в цилиндре вспыхивает пламя и подсвечивает детали вокруг.
  4. Выпуск. Выпускной клапан открыт, поршень идёт вверх и выталкивает отработавшие газы — серые.

Полоска с четырьмя цилиндрами в углу показывает, на каком такте сейчас каждый из них.

Почему распредвал вдвое медленнее

Каждый клапан открывается один раз за цикл, а цикл длится два оборота коленвала. Значит, кулачку нужен один оборот на два оборота вала — поэтому шкив распредвала вдвое больше шкива коленвала. Модель это не изображает, а выполняет: ремень связывает вращение двух шкивов, и отношение получается ровно 1 : 2.

Порядок работы 1 – 3 – 4 – 2

Шейки коленвала стоят под углами 0°, 180°, 180°, 0°: крайние поршни ходят вместе, средние — им навстречу. Вспышки идут в цилиндрах 1, 3, 4, 2 — по одной на каждые пол-оборота вала, так что рабочие ходы следуют друг за другом без пауз и вал вращается ровно. Видно и то, что два поршня, которые сейчас вместе идут вверх, заняты разным: один сжимает смесь, другой выталкивает газы.

Фазы газораспределения

Клапан открыт не ровно полоборота, а дольше — около 240° поворота коленвала. Впускной открывается за 20° до верхней мёртвой точки и закрывается через 40° после нижней: смесь по инерции продолжает затекать, пока поршень уже пошёл вверх. Выпускной открывается за 40° до нижней точки и закрывается после верхней. Около верхней точки оба клапана ненадолго открыты одновременно — это перекрытие клапанов, оно помогает цилиндру продуться.

Как это посчитано

Это не анимация по заранее заданной траектории. У каждой детали есть масса и момент инерции — их считают по форме и материалу. Детали связаны шарнирами, ползунами и пружинами, ремень связывает два шкива, кулачки давят на ролики клапанов через контакт с трением. Своё физическое ядро решает всю эту систему уравнений много раз в секунду, и поршни, клапаны и маховик движутся так, как велят связи и силы.

Модель проверяют формулами. Поршни ходят по кривой кривошипно-шатунного механизма с точностью до микрона, распредвал вращается ровно вдвое медленнее, клапаны открываются в порядке 1 – 3 – 4 – 2 и стоят открытыми столько градусов, сколько задано профилем кулачка. Ни одна деталь ни на одном шаге не проходит сквозь другую.

Вспышки нарисованы, а не посчитаны: двигатель крутит ручка — ваша или её привод. Отпустите ручку на ходу — маховик ещё какое-то время крутит вал, пока трение в подшипниках его не остановит.