Четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход, выхлоп

В большинстве автомобилей поршень снова и снова повторяет один и тот же четырёхтактный цикл. Название цикла происходит от четырёх тактов поршня:

1. Впуск. Впускной клапан открывается, и поршень движется вниз, втягивая свежий воздух. В бензиновом двигателе с впрыском во впускной канал топливо распыляется во входящий воздух; в двигателе с непосредственным впрыском оно распыляется прямо в цилиндр.
2. Сжатие. Оба клапана замкнуты. Поршень движется вверх и сжимает газ в гораздо меньшем пространстве. При сжатии газ нагревается и подготавливается к сгоранию.
3. Рабочий ход. Когда поршень почти достигает верхней точки такта сжатия, свеча зажигания даёт искру. Смесь сгорает, горячий газ расширяется и толкает поршень вниз. Это единственный такт, который передаёт энергию коленчатому валу. Оба клапана всё ещё замкнуты.
4. Выхлоп. Выпускной клапан открывается, и поршень движется вверх, выталкивая сгоревший газ. Затем цикл начинается снова.

Посчитаем обороты коленчатого вала: каждый такт — это пол-оборота (180°), поэтому цикл — это 4 × 180° = 720°, то есть два полных оборота коленчатого вала. Распределительный вал, который открывает клапаны, должен открывать каждый клапан только один раз за цикл, поэтому он вращается с половинной скоростью коленчатого вала — один оборот за цикл. В двигателе его приводит ремень или цепь с передаточным отношением 2 : 1.

Это также означает, что один цилиндр получает один рабочий ход за два оборота, а не один за каждый оборот. При 3 000 rpm коленчатый вал делает 50 оборотов в секунду, поэтому один цилиндр зажигает смесь 25 раз в секунду.

Откуда берётся энергия для остальных трёх тактов? От маховика, а в многоцилиндровом двигателе — от других цилиндров, в которых в это время идёт рабочий ход. Такты впуска, сжатия и выхлопа требуют небольшой работы для перекачивания газа и его сжатия.

Если построить график зависимости давления газа от объёма цилиндра в течение цикла, получится замкнутая петля — P–V-диаграмма. Площадь внутри петли — это полезная работа за один цикл. В мире «Тепловые двигатели» лаборатории «Лаборатория частиц» эта диаграмма строится для цикла Отто и выводится его коэффициент полезного действия; здесь мы только наблюдаем, как петля строится при движении поршня.

Некоторые небольшие двигатели (газонокосилки, бензопилы, небольшие скутеры) являются двухтактными: они воспламеняют смесь при каждом обороте, объединяя такты. Благодаря этому они лёгкие и простые, но их труднее содержать в чистоте. В автомобилях почти всегда используется четырёхтактный цикл, потому что он лучше управляет газообменом.