Как работает двигатель автомобиля

Не задумывались ли вы как-нибудь что происходит под капотом автомобиля? Для не разбирающихся в механике двигатель может выглядеть как загадочная мешанина из металлических частей, труб, проводов и еще непонятно чего. Но как все это работает?

Задача двигателя преобразовать энергию топлива в энергию движения. Самый простой способ сегодня - это сжечь топливо внутри двигателя. А двигатели называются двигателями внутреннего сгорания.

Пару вещей, которые хотелось бы отметить:

  1. Существуют разные виды двигателей внутреннего сгорания. Бензиновые, дизельные, газо-турбинные и другие. В этой статье мы остановимся на бензиновых, как самых простых.
  2. Существуют и двигатели внешнего сгорания, например, паровые двигатели в старомодных паровозах или пароходах. Топливо (уголь, древесина, нефть) сжигается снаружи двигателя и нагревает воду для образования пара, который уже создает движение в двигателе. Причина, почему мы не рассматриваем в данной статье двигатели внешнего сгорания в том, что они намного менее эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания. И намного более громоздки.

Ну а теперь сосредоточимся на двигателях внутреннего сгорания.

Четырехтактный двигатель. Иллюстрация (с) By Zephyris [CC BY-SA 3.0] via Wikimedia Commons

Внутреннее сгорание

Все двигатели внутреннего сгорания используют следующий принцип: если вы поместите немножко топлива с большой энергией сгорания в небольшую закрытую камеру и подожжете его, то энергия топлива высвободится наружу в виде расширяющегося газа. Такой энергии (от взрыва топлива в одном цилиндре) было бы достаточно, чтобы выстрелить картофелиной на 150 метров из картофельной пушки. Но эту энергию лучше использовать для других, более интересных целей. Например, если создать некий замкнутый цикл, который позволит производить сотни похожих взрывов в минуту, и если удастся обуздать энергию этих взрывов, то… то мы получим двигатель автомобиля.

Почти все современные автомобили используют так называемый четырехтактный цикл по превращению топлива в движение. Цикл известен под названием цикла Отто, в честь немецкого инженера Николауса Отто, который построил первый практически используемый двигатель внутреннего сгорания. Четыре шага этого цикла (или такта) отображены на иллюстрации. Это:

  1. Впуск
  2. Сжатие
  3. Сгорание топлива (рабочий ход)
  4. Выпуск

Продолжая аналогию с картофельной пушкой, мы можем заметить, что в двигателе все немного сложнее: цилиндр заменяет картофельную пушку, поршень — картофелину. Поршни посредством шатунов толкают коленчатый вал. Коленвал, вращаясь, приводит к эффекту «перезаряда» пушки. Вот как это происходит (в соответствии с нашим циклом):

Из чего состоит воздушно-топливная смесь?

Воздушно-топливная смеси на самом деле почти полностью состоит из воздуха, так как для полного и эффективного сгорания 1 грамма бензина требуется 14.5 граммов воздуха, что составляет почти 12 литров! Таким образом, для эффективной работы двухлитрового атмосферного двигателя требуется всего по 44 миллиграмма бензина на цилиндр в каждый такт.

  1. Цикл начинается с верхнего положения поршня. Открывается впускной клапан, и поршень двигается вниз, позволяя двигателю набрать полный цилиндр смеси из воздуха и топлива. Это такт впуска.
  2. Начинается обратный ход поршня, при котором сжимается топливная смесь. Такое сжатие позволяет сделать «взрывы» топлива в цилиндре более мощными и эффективными.
  3. После того, как окончится сжатие и поршень достигнет верхнего положения, свеча с помощью разряда поджигает топливную смесь. Смесь вспыхивает, и энергия взрыва толкает поршень вниз. Этот такт работы двигателя называется рабочим ходом, потому, как только в этом такте совершается работа.
  4. Открывается выпускной клапан и выхлопные газы выталкиваются поршнем из цилиндра в выхлопную систему.

После завершения 4 такта мы оказываемся ровно в том же состоянии, что и перед началом первого такта, и мы можем повторять весь цикл и дальше.

Заметим также, что в отличии от картофельной пушки, где энергия превращается в поступательное движение, в двигателе внутреннего сгорания энергия трансформируется во вращательное движение. Это, в принципе, неплохо, так как мы в дальнейшем планируем вращать колеса.

А теперь давайте рассмотрим из каких частей состоит двигатель.

Основные части двигателя

Основа двигателя — это цилиндр и поршень, двигающийся в цилиндре вверх и вниз. На иллюстрации выше был показано мотор, состоящий из одного цилиндра. Такие моторы чаще всего используются для газонокосилок и другой мото-техники. Большинство автомобилей использует двигатель с несколькими цилиндрами (4, 6 и 8 — самые распространенные комбинации). Цилиндры могут располагаться в двигателе тремя способами: рядным, V-образным, или оппозитным, и по расположению цилиндров двигатель называют рядным, V-образным или оппозитным (вообще-то способов больше, но эти три основные). Примеры такого расположения можно посмотреть на иллюстрациях.

Каждое расположение цилиндров имеет свои преимущества и недостатки, такие как плавность работы, стоимость изготовления, размеры и расположение в подкапотном пространстве.

Что касается поршней, то их основная задача — это передавать энергию расширения газа при горении на коленчатый вал, создавать вакуум в цилиндре для всасывания воздушно-топливной смеси на такте впуска, выталкивать выхлопные газы на такте выпуска, а также сжимать топливную смесь на такте сжатия. Все эти задачи накладывают на поршни очень высокие требования: они должны быть легкими, малоизнашивающимися, прочными, терпимыми к высоким температурам, должны хорошо проводить тепло, иметь высокую коррозионную стойкость и антифрикционные свойства.

Помимо цилиндров и поршней есть и другие детали:

Свечи зажигания

Свечи зажигания — по одной на каждый цилиндр. В нужный момент с помощью электрического разряда свеча производит искру, с помощью которой поджигается топливная смесь. В старых двигателях момент зажигания определялся «коммутатором» в зависимости от положения распределительного вала (например, с помощью контактного кулачка или с помощью магнитного датчика). В современных двигателях этот момент определяется электронным блоком управления двигателем, на основании информации от датчиков (детонации, датчика положения распределительного вала, лямбда-зонда и других).

Клапаны

Клапаны впуска и выпуска открываются в нужный момент чтобы впустить топливную смесь в цилиндр или, наоборот, выпустить выхлопные газы. Чтобы двигатель работал исправно, клапаны должны быть герметично закрыты во время тактов сжатия и воспламенения. На каждый цилиндр необходимо как минимум два клапана (один на впуск, другой на выпуск), но для увеличения мощности на современные двигатели ставят и по 3, и по 4 и даже по 5 клапанов (как, например, в Audi A8 с 2003 года) на цилиндр. Увеличение числа клапанов увеличивает скорость, с которой могут происходить такты впуска и выпуска, а значит увеличивает максимальное число оборотов двигателя и его мощность. К сожалению, это не панацея, и конструкции с 6 клапанами на цилиндр встречаются сейчас только в автоспорте из-за сложности и громоздкости конструкции.

Поршневые кольца

Поршневые кольца — незамкнутые кольца, которые с небольшим зазором (до нескольких сотых долей миллиметра) посажены в канавках на внешних поверхностях поршней. Кольца служат двум целям: уплотнение камеры сгорания, препятствуя проникновению газов в промежуток между цилиндром и поршнем и уменьшение расхода масла, препятствуя проникновению масла в камеру сгорания, где оно сгорело бы и вышло с выхлопными газами. На каждом поршне размещается несколько поршневых колец.

Большинство машин, которые «жрут масло» и требуют постоянного долива по 500 мл и больше на каждую 1000 километров скорее всего имеют изношенные поршневые кольца, которые не обеспечивают тщательного удаления масла из камеры сгорания.

Коленчатый вал и шатуны

Коленчатый вал и шатуны. На коленчатый вал с помощью шатунов (по одному шатуну на каждый цилиндр) передается энергия расширяющихся газов от двигателя, превращаясь из поступательной во вращательную. Вал имеет сложную форму, с коленцами и шейками для крепления шатунов. Именно на коленчатый вал приходятся все лошадиные силы вашего мотора, поэтому он должен быть необычайно прочным.

Картер

Картер — основная корпусная часть мотора, изолированное внутреннее пространство картера образует самую большую полость в двигателе, содержащую коленчатый вал. Верхняя часть картера содержит блок цилиндров. Картер предназначен для опоры деталей двигателя, их защиты от пыли и грязи, а также размещения запаса смазочного масла. Масло с помощью насоса распределяется по двигателю, смазывая все детали, и самотеком, обратно возвращается в поддон картера. Вращаясь на больших оборотах в картере, коленвал (а он даже на холостом ходу совершает до 1000 оборотов в минуту), образует взвесь масла в воздухе, что обеспечивает дополнительную смазку для всех деталей.

Газораспределительная система

Распределительный вал (вместе с газораспределительным механизм) обеспечивает слаженную работу всех клапанов. Распределительный и коленчатый вал связаны с помощью специального ремня (Ремень ГРМ) или цепи, которая вращает распределительный вал с половинной угловой скоростью коленчатого. Распределительный вал имеет кулачки особой формы, которые один раз за оборот надавливают на клапан, заставляя его открыться (а обратное закрытие происходит с помощью пружины).

Карбюратор

Карбюратор готовит топливно-воздушную смесь. При впуске давление в цилиндрах двигателя понижается. Наружный воздух засасывается в цилиндр, проходя через смесительную камеру карбюратора, в которой находится диффузор, позволяющий распылять топливо в зависимости от количества поступающего воздуха. В современных автомобилях карбюратор заменен на специальную систему впрыска (инжектор), которая управляется специальным электронным блоком управления (ЭБУ). ЭБУ на основании информации от датчиков дает команду форсункам подать ровно отмеренное количество топлива в нужный момент, а форсунки, соответственно, распыляют это топливо в воздух, поступающий в цилиндры.

Другие системы

В данной статье мы умышленно оставили за кадром другие вспомогательные системы, такие как системы охлаждения, смазки, выхлопа, электрические системы. Все это — тема для отдельной статьи.