Как работает двигатель автомобиля
В двигателе внутреннего сгорания энергия топлива превращается во вращение вала. Поршни, клапаны и другие детали работают согласованно, чтобы передать это вращение колёсам через трансмиссию.
Нажатие на педаль меняет звук под капотом, и машина набирает скорость. Но между движением ноги и вращением колёс происходит целая цепочка событий. Воздух поступает внутрь двигателя, топливо сгорает, детали совершают возвратные движения, а на выходе получается вращение. Понять эту цепочку проще, если мысленно проследить путь энергии.
1Зачем нужен двигатель
Для движения автомобилю нужна сила на колёсах. Она помогает разгоняться, подниматься в гору и преодолевать сопротивление воздуха и качения. Двигатель служит источником механической энергии, а коробка передач и остальные части трансмиссии передают её к ведущим колёсам.
У автомобилей бывают разные силовые установки. Здесь речь пойдёт о распространённом поршневом двигателе внутреннего сгорания. Топливо в нём сгорает внутри рабочих камер, поэтому источник тепла и механизм, который получает работу, находятся в одном агрегате. Электрический мотор устроен иначе и не нуждается в таком цикле сгорания.
Полезно различать мощность и крутящий момент. Момент описывает вращающее действие на валу, а мощность показывает, как быстро двигатель совершает работу. Поэтому одного числа в описании машины недостаточно, чтобы представить её поведение. Имеют значение обороты двигателя, выбранная передача и сопротивление движению.
2Четыре такта
В четырёхтактном двигателе цикл состоит из впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Тактом называют перемещение поршня от одного крайнего положения до другого. За полный цикл коленчатый вал делает два оборота. При этом полезное давление газов толкает поршень только во время рабочего хода.
При впуске поршень опускается, а открытый впускной клапан даёт свежему заряду поступить в цилиндр. Затем клапаны закрываются и поршень движется вверх, сжимая содержимое камеры. После начала горения давление резко возрастает. Газы расширяются и толкают поршень вниз, передавая усилие на вал.
На выпуске поршень снова поднимается и вытесняет отработавшие газы через открытый выпускной клапан. Затем последовательность повторяется. В действительном двигателе клапаны открываются и закрываются с некоторым опережением или запаздыванием относительно крайних положений поршня. Это помогает газам проходить через каналы при высокой скорости работы.
| Такт | Движение поршня | Главное событие |
|---|---|---|
| Впуск | Вниз | Цилиндр наполняется свежим зарядом |
| Сжатие | Вверх | Заряд сжимается |
| Рабочий ход | Вниз | Расширяющиеся газы совершают работу |
| Выпуск | Вверх | Отработавшие газы покидают цилиндр |
3Цилиндры и поршни
Цилиндр задаёт путь движения поршня. Между поршнем и стенкой находятся кольца: они ограничивают прорыв газов и помогают управлять слоем масла на поверхности. В верхней части цилиндра расположена головка с каналами и клапанами. Пространство над поршнем меняет объём при каждом его движении.
Поршень соединён шатуном с коленчатым валом. Этот механизм превращает движение вверх и вниз во вращение. Похожий принцип можно увидеть у педали велосипеда: нога движется не по окружности целиком, но через шатун вращает звёздочку. В двигателе геометрия сложнее, однако связь поступательного и вращательного движения остаётся наглядной.
Несколько цилиндров позволяют распределить рабочие ходы во времени. Пока в одном цилиндре газы расширяются, в другом может идти сжатие или выпуск. Маховик запасает часть энергии вращения и сглаживает его неравномерность. Даже при таком сглаживании двигатель остаётся источником колебаний, которые частично поглощают его опоры.
4Топливо и воздух
Для сгорания топлива нужен кислород из воздуха. В бензиновом двигателе горение обычно начинается от электрической искры свечи. В дизельном сначала сильно сжимается воздух, а затем в него впрыскивается топливо. Оно воспламеняется в нагретом сжатием воздухе, поэтому привычной свечи зажигания для этого процесса не требуется.
Способ подачи топлива тоже различается. При распределённом впрыске бензин подаётся во впускной канал, а при непосредственном — прямо в цилиндр. Форсунка дозирует топливо и распыляет его. Важны не только количество, но и момент подачи, форма факела и перемешивание с воздухом.
Электронный блок управления получает сигналы датчиков и согласует работу систем. Он учитывает режим двигателя и меняет подачу топлива, а в бензиновом моторе также управляет зажиганием. Если установлен турбокомпрессор, энергия выхлопных газов помогает нагнетать воздух на впуске. Это позволяет подать в цилиндры больше воздуха, но не отменяет основного четырёхтактного цикла.
5Охлаждение и смазка
При сгорании выделяется гораздо больше тепла, чем превращается в полезную механическую работу. Часть энергии уходит с выхлопом, часть передаётся деталям и системе охлаждения. В распространённой жидкостной системе насос перемещает охлаждающую жидкость по каналам двигателя. Затем тепло рассеивается через радиатор в окружающий воздух.
Термостат помогает регулировать тепловой режим, изменяя путь движения жидкости. Вентилятор усиливает поток воздуха через радиатор, когда естественного обдува недостаточно. Задача системы заключается не в том, чтобы сделать двигатель максимально холодным. Для нормальной работы требуется подходящая рабочая температура.
Масляная система решает другую задачу. Масло образует плёнку между трущимися поверхностями, уменьшает износ и уносит часть тепла. Насос подаёт его к нагруженным узлам, а фильтр задерживает загрязнения. Охлаждение и смазка связаны общей нагрузкой на двигатель, но действуют по разным контурам.
Все эти процессы идут одновременно. Газообмен наполняет цилиндры, сгорание даёт давление, кривошипный механизм вращает вал, а вспомогательные системы поддерживают условия работы. Поэтому двигатель удобно представлять не как набор отдельных деталей, а как согласованную цепочку превращения энергии.