Что такое двигатель внутреннего сгорания?

Для начала немного формальностей: ДВС — это такой двигатель, который превращает энергию сгорания топлива в механическую работу. А слово «внутреннего» подразуме­вает, что сгорание происходит в рабочей камере (цилиндре) внутри двигателя. Как же иначе, спросите вы? Легко: паровые машины, например, используют тепло от сгорания топлива для нагрева жидкости, которая, превращаясь в пар, совершает работу. Такие двигатели относятся к классу «двигателей внешнего сгорания». Логично же?

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания: как именно он использует энергию топлива?

Он его сжигает — за это ДВС и не любят экологи. Сгорание происходит в сердце мотора — полом цилиндре, объём которого может меняться благодаря движущемуся внутри него поршню. Как работает двигатель внутреннего сгорания? Схема довольно простая: топливо, а точнее, смесь (в её состав входит топливо и воздух) — горит очень быстро, практически взрывается. В резуль­тате горения образуется много газа, которому становится тесно в цилиндре — и уже его давление заставляет поршень с силой двигаться из положения (его называют «верхней мёртвой точкой» — ВМТ), когда объём цилиндра минимален, к максимальному объёму, достигаемому в «нижней мёртвой точке» (НМТ).

А чтобы этот процесс продолжался непрерывно, устройство двигателя подразумевает последовательное выполнение четырёх стадий одного цикла, так называемых «тактов»:

1. наполнение цилиндра смесью (впуск);
2. сжатие смеси;
3. рабочий ход (сгорание);
4. выпуск расширившихся газов.

За четыре такта поршень дважды проходит путь от ВМТ к НМТ и обратно.

Устройство двигателя обычно подразумевает не один цилиндр — в автомобиле их чаще всего четыре, шесть или восемь, расположенных в ряд, V-образно или напротив друг друга. Бывает, конечно, и 10, и 12 и даже 16, но это уже частные случаи. Количество цилиндров, их объём, степень сжатия (отношение максимального объёма к минимальному) отвечают за определение таких свойств мотора, как мощность, тяга и максимально возможные обороты.

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Такты цикла проходят последовательно в каждом цилиндре — таким образом, у 4-цилиндрового мотора каждые пол-оборота коленвала один из поршней совершает рабочий ход, а остальные в это время занимаются другими делами

Но ведь поршень ходит вверх-вниз — как при этом ДВС вращает колёса?

Теперь разберёмся, за счёт работы каких основных частей мотора машина может вращать колёсами. Для перевода поступательного движения поршней (вверх-вниз) во вращение внутри мотора есть коленвал, его строение, кстати, и обусловило название. Поршни через рычаги (их называют шатунами) давят на шейки (секции) коленчатого вала, смещённые относительно его оси — так же, как человек давит на педали велосипеда, заставляя вращаться звёздочку-шестерёнку, которая затем приводит в движение цепь, соединённую с ведущим колесом.

Чтобы вращение коленвала было равномерным, к нему прикручен массивный диск (маховик). А в некоторых двигателях вместе с коленвалом крутятся и специальные балансирные валы, снижающие вибрации, которые неизбежно случаются из-за взрывов топлива внутри мотора. Вот такая конструкция.

Как топливо попадает в цилиндр ДВС?

Для этого у каждого цилиндра есть специальные устройства — клапаны. Их как минимум два — впускной и выпускной. Первый открывается на такте впуска — в этот момент поршень движется вниз и помогает засасывать топливную смесь внутрь цилиндра. Выпускной клапан делает это на последнем такте, когда поршень после рабочего хода начинает подниматься к верхней мёртвой точке и выталкивает через открывшееся отверстие отработанные газы, освобождая место для новой порции топлива.

У большинства современных моторов принцип действия такой же, но клапанов не два, а четыре (у некоторых и пять) — это сделано для того, чтобы за один такт наполнять цилиндр большим количеством смеси, а также быстрее и эффективнее избавляться от отработанных газов.

За синхронизацию работы клапанов с поршнями в устройстве двигателя отвечает распределительный вал (или несколько валов). На распред­валах есть специальные утолщения (кулачки), при вращении вала они давят на клапаны, и те открываются. Как только распредвал перестаёт давить на клапан, тот под действием пружины возвраща­ется в закрытое состояние. Распредвал крутится ровно в два раза медленнее коленвала, делая один оборот за четыре такта работы цилиндра, а порядок и продолжи­тельность открытия клапанов регулируются расположением и размером кулачков на нём.

Какое топливо использует ДВС?

В современных автомобилях обычно применяется один из двух видов топлива — бензин или солярка (дизельное топливо). Соответ­ственно, двигатели делят на бензиновые и дизельные. Но чтобы мотор автомобиля нормально работал, ему нужно строго определённое количество топлива, которое зависит от нагрузки и оборотов. А ещё ему необходим воздух — без него бензин или солярка гореть в цилиндрах не будут. «Снабженцем» ДВС выступает система питания — она отмеряет нужные порции топлива и воздуха, смешивает их и подаёт на впуск.

Чем отличается работа бензинового и дизельного двигателя?

Тем, как в них готовится и отмеривается топливная смесь. Работа бензинового мотора в автомобиле регулируется количеством воздуха, который система питания пропускает в цилиндры — нажимая на газ, водитель открывает заслонку (дроссель) на впуске, сообщая механизму о своём желании поехать побыстрее, то есть увеличить отдачу двигателя. Электроника, управ­ляющая двигателем, на основе показаний датчиков оценивает, какое количество воздуха попадёт на впуск, рассчитывает и отмеряет нужное количество бензина, который затем смешивается с воздухом перед попаданием в цилиндр или прямо в нём.

Затем получившаяся смесь поджигается искрой — маленькой искус­ственной молнией, которую генерирует установленная в цилиндре свеча зажигания. На ранних автомобилях система питания была полностью механической.

В дизельном двигателе обороты и отдача регулируются только количеством дизтоплива, которое впрыскивается в цилиндр под огромным давлением, распыляясь на мельчайшие капельки. Поступление воздуха не ограничи­вается заслонками, но в цилиндре он сжимается намного сильнее, чем в бензиновом моторе. От этого смесь сильно нагревается и вспыхивает безо всякой искры. Поэтому говорят, что в дизельных двигателях воспламе­нение происходит от сжатия. Несмотря на все отличия, у них общее происхождение и, сооответственно, общие принципы работы.

Что происходит с продуктами горения?

На такте выпуска поршень выталкивает из цилиндра газы, образовав­шиеся при сгорании топлива и уже исполнившие своё главное назначение — совершив­шие полезную работу. Но выпускать их в атмосферу сразу нельзя. Они очень горячие, «выплёвы­ваются» очень часто и с огромной скоростью. Из-за этого выхлопные газы оглушающе громкие. Чтобы утихомирить их, нужен глушитель. Его основные составные части очень простые — металли­ческая коробка с трубками и пере­городками внутри, которые образуют лабиринт на пути выхлопа. Проходя через глушитель, отработанные газы теряют энергию — замедляются, остывают и уже почти бесшумно выходят наружу через выхлопную трубу. В современных машинах газы пропускают ещё и через каталити­ческий нейтрализатор — в нём самые токсичные продукты горения превращаются в менее вредные (например, угарный газ — в углекислый). И уже потом попадают в атмосферу.

А ещё инженеры придумали, для чего может быть предназначен выхлоп, если быть точнее — его энергия. На выходе из двигателя ставят турбонагнетатель (так называется колесо с лопатками), и очень быстрый газовый поток его вращает. Турбина, в свою очередь, крутит колесо компрессора, который нагнетает воздух в мотор. Чем больше воздуха (и соответ­ственно топлива) попадает в цилиндры, тем выше может быть мощность двигателя.

ДВС использует всю энергию топлива?

Увы, нет — даже самый совершенный двигатель совершает не только полезную работу. Часть энергии сгорающего топлива уходит на нагрев самого двигателя. Но слишком горячим ему быть нельзя, иначе детали не выдержат и разрушатся. Поэтому мотор приходится охлаждать. Его наиболее горячие части омываются специальной охлаж­дающей жидкостью, которая затем пере­качивается в радиатор (охладитель), где отдаёт лишние градусы в атмосферу и возвращается назад — чтобы снова нагреваться от двигателя и снова остывать. Циркуляцию жидкости по системе поддер­живает водяной насос (помпа), а нужную температуру регулирует термостат.

Что ещё нужно мотору автомобиля для нормальной работы?

Прежде всего масло. Двигатель внутреннего сгорания это сложный механизм с большим количеством подвижных соединений, и оно требуется для смазки движущихся частей — это снижает трение, а значит и износ. Выглядит процесс циркуляции ГСМ так: масло из нижней части двигателя (поддона) забирает масляный насос, по системе каналов и трубок оно подаётся к коленвалу и распред­валу, клапанам и поршням, а затем, смазав все важные узлы, масло стекает обратно в поддон. Откуда снова откачивается насосом.

Ещё двигателю нужно… электричество. Бензиновому — чтобы поджигать смесь в цилиндрах. А для запуска любого ДВС требуется хотя бы один оборот коленвала — его совершает небольшой электро­мотор (стартер). Управ­ляет работой современных моторов электроника. А ещё в машине есть лампочки, фары, «музыка», электроприводы стёкол... Поэтому в машине не обойтись без генератора, вырабаты­вающего электро­энергию (он приводится ремнём от двигателя), и аккуму­лятора, который накапливает излишки электричества про запас.

Вот что такое ДВС — в общих чертах. Конечно, сегодня в автомобиле агрегаты намного сложнее по конструкции. Их оснащают турбо­наддувом, повышают их эффектив­ность за счёт оптимизации процесса сгорания топлива, лишают распред­валов, клапанов и дроссельных заслонок... Но об этом мы подробно расскажем в отдельных статьях. А пока вы уже наверняка правильно перечислите основные детали ДВС, если кто-то об этом спросит.