Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это тепловая машина, которая преобразует химическую энергию топлива в механическую работу (вращение коленчатого вала) путем сжигания этого топлива внутри специальной камеры (цилиндра). Вот как это работает, от простого объяснения к деталям. Представьте, что вы брызгаете в закрытую банку из-под колы аэрозоль и поджигаете её. Произойдет маленький взрыв, банку сорвет с места. ДВС делает то же самое, но: Подавляющее большинство автомобильных ДВС работают по четырёхтактному циклу. Один рабочий цикл занимает 4 хода поршня (2 оборота коленвала). 1 такт: ВПУСК 2 такт: СЖАТИЕ 3 такт: РАСШИРЕНИЕ (Рабочий ход) 4 такт: ВЫПУСК Затем цикл повторяется с первого такта. Несмотря на бурное развитие электромобилей, ДВС остается основой мирового автопрома благодаря огромной развитой инфраструктуре, высокой энергоёмкости топлива и отработанным технологиям.
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — это тепловая машина, которая преобразует химическую энергию топлива в механическую работу (вращение коленчатого вала) путем сжигания этого топлива внутри специальной камеры (цилиндра).
Вот как это работает, от простого объяснения к деталям.
Краткая суть (самое простое объяснение)
Представьте, что вы брызгаете в закрытую банку из-под колы аэрозоль и поджигаете её. Произойдет маленький взрыв, банку сорвет с места. ДВС делает то же самое, но:
- Взрыв происходит в строго заданном месте (цилиндре).
- Энергия взрыва толкает поршень, который через систему «шатун-коленвал» превращает прямолинейное движение во вращение.
- Взрывы происходят десятки раз в секунду в каждом цилиндре, и это вращение через трансмиссию крутит колёса.
Основные компоненты (из чего он состоит)
- Цилиндр — «банка», где всё происходит.
- Поршень — металлический «стакан», который движется в цилиндре вверх-вниз.
- Шатун — соединяет поршень с коленчатым валом.
- Коленчатый вал (коленвал) — преобразует движение поршней во вращение.
- Клапаны (впускные и выпускные) — открываются/закрываются, чтобы впустить смесь и выпустить выхлопные газы.
- Свеча зажигания (в бензиновых) — дает искру для поджига.
- Топливные форсунки — распыляют топливо.
Принцип работы: 4 такта (цикл Отто)
Подавляющее большинство автомобильных ДВС работают по четырёхтактному циклу. Один рабочий цикл занимает 4 хода поршня (2 оборота коленвала).
1 такт: ВПУСК
- Цель: Наполнить цилиндр топливно-воздушной смесью.
- Процесс: Поршень движется вниз. Открывается впускной клапан. Разрежение засасывает в цилиндр смесь воздуха и топлива (в бензиновых) или только воздух (в дизельных).
- Аналогия: Шприц набирает жидкость.
2 такт: СЖАТИЕ
- Цель: Сильно сжать смесь для увеличения мощности последующего взрыва.
- Процесс: Оба клапана закрыты. Поршень движется вверх, сжимая смесь. В дизельных двигателях воздух сжимается так сильно, что нагревается до 700-900°C.
- Аналогия: Вы сжимаете пружину, накапливая энергию.
3 такт: РАСШИРЕНИЕ (Рабочий ход)
- Цель: Получить полезную работу от энергии сгорания.
- Процесс:
В бензиновом двигателе: В конце такта сжатия свеча зажигания дает искру, смесь воспламеняется.
В дизельном двигателе: В сильно сжатый и горячий воздух форсунка впрыскивает топливо, которое самовоспламеняется. - Образовавшиеся газы от взрыва резко расширяются и с огромной силой толкают поршень вниз. Это единственный такт, когда двигатель совершает полезную работу (остальные три такта происходят за счёт инерции или работы других цилиндров).
4 такт: ВЫПУСК
- Цель: Освободить цилиндр от отработанных газов.
- Процесс: Поршень движется вверх. Открывается выпускной клапан. Поршень выталкивает отработавшие газы в выпускной коллектор и далее в выхлопную систему.
Затем цикл повторяется с первого такта.
Два основных типа ДВС
- Бензиновый двигатель (с искровым зажиганием):
Топливо смешивается с воздухом до попадания в цилиндр (во впускном коллекторе) или непосредственно в нём (прямой впрыск).
Воспламенение от искры свечи зажигания.
Степень сжатия ниже, чем у дизеля.
- Дизельный двигатель (с воспламенением от сжатия):
В цилиндр сначала поступает только воздух.
Воздух сильно сжимается (в 1.5-2 раза сильнее, чем в бензиновом) и от этого нагревается.
В раскаленный воздух форсунка под высоким давлением впрыскивает топливо, которое мгновенно самовоспламеняется.
Нет свечи зажигания (но есть свечи накаливания для прогрева в холод).
Более высокий КПД и крутящий момент, но выше шум и выбросы сажи.
Ключевые термины
- КПД (Коэффициент Полезного Действия): Показывает, какая часть энергии топлива превращается в полезную работу. У современных ДВС он составляет 20-35% для бензиновых и 30-45% для дизельных. Остальная энергия уходит в тепло (греется двигатель и выхлоп) и трение.
- Объём двигателя: Суммарный рабочий объём всех цилиндров. Измеряется в литрах или кубических сантиметрах (см³). Чем больше объём, тем, как правило, больше мощность.
- Мощность и крутящий момент:
Крутящий момент — это «сила тяги», которую может создать двигатель (измеряется в Н·м).
Мощность — это, упрощенно, крутящий момент, умноженный на обороты. Показывает, какую работу двигатель может совершить в единицу времени (измеряется в л.с. или кВт).
Недостатки ДВС
- Относительно низкий КПД.
- Зависимость от невозобновляемого топлива (нефти).
- Выбросы вредных веществ (CO2, NOx, сажа) даже с современными системами очистки.
Несмотря на бурное развитие электромобилей, ДВС остается основой мирового автопрома благодаря огромной развитой инфраструктуре, высокой энергоёмкости топлива и отработанным технологиям.