Как работает двигатель внутреннего сгорания: от искры до движения колёс
Двигатель внутреннего сгорания работает по простому принципу: смесь топлива с воздухом сжимается в цилиндре, воспламеняется и расширяется, толкая поршень. Это поступательное движение поршня через кривошипно-шатунный механизм превращается во вращение коленчатого вала, которое в итоге и крутит колёса. Весь цикл занимает доли секунды и повторяется в каждом цилиндре сотни раз в минуту.
Четыре такта: как именно происходит сгорание
Классический бензиновый двигатель работает по четырёхтактному циклу. Первый такт: впуск. Поршень движется вниз, впускной клапан открывается, в цилиндр поступает смесь воздуха и мелкодисперсного топлива из форсунки. Второй такт: сжатие. Оба клапана закрыты, поршень идёт вверх, сжимая смесь примерно в 10–12 раз. Давление вырастает до 12–15 атмосфер, температура достигает 400–500 градусов Цельсия. Третий такт: рабочий ход. Свеча зажигания даёт искру, смесь воспламеняется, давление резко растёт до 50–60 атмосфер, поршень с силой толкается вниз. Именно этот такт и совершает полезную работу. Четвёртый такт: выпуск. Выпускной клапан открывается, поршень поднимается и выталкивает отработанные газы в выхлопную систему.
В дизельном двигателе принцип тот же, но степень сжатия выше: 16–22:1. Воздух сжимается до температуры около 700–900 градусов, и дизельное топливо воспламеняется само, без свечи зажигания. Это делает дизель экономичнее на больших нагрузках, но конструктивно сложнее.
Система охлаждения и смазки: без них двигатель не проработает и часа
При сгорании топлива температура в камере сгорания кратковременно достигает 2000 градусов. Если не отводить тепло, металл деформируется и двигатель клинит. Поэтому вокруг цилиндров проходят каналы, по которым циркулирует охлаждающая жидкость — смесь воды с антифризом. Радиатор рассеивает тепло в атмосферу, термостат следит за рабочей температурой (обычно 85–95 градусов).
Параллельно работает система смазки. Масляный насос под давлением подаёт масло ко всем трущимся парам: коленчатому и распределительному валам, шатунным вкладышам, стенкам цилиндров. Масло снижает трение, уносит мелкие частицы износа и дополнительно охлаждает детали. Рабочее давление масла в магистрали составляет 3–5 атмосфер на рабочих оборотах.
Сколько цилиндров и зачем их несколько
Один цилиндр совершает рабочий ход лишь раз за два оборота коленвала, всё остальное время он только готовится. Чтобы вращение было плавным, цилиндры работают поочерёдно. В рядных четырёхцилиндровых двигателях каждый цилиндр делает рабочий ход через 180 градусов поворота вала, создавая относительно ровный крутящий момент. V-образные шести- и восьмицилиндровые двигатели ещё плавнее из-за чередования тактов под разными углами.
Мощность двигателя определяется рабочим объёмом, давлением наддува (турбина нагнетает воздух, увеличивая его плотность) и частотой оборотов. Современные турбированные моторы объёмом 1,5–2 литра развивают 150–250 лошадиных сил благодаря высокому давлению наддува (1,5–2 атмосферы избыточного давления) и прямому впрыску топлива.
Где производят двигатели в России
Производство автомобильных двигателей сосредоточено на нескольких крупных предприятиях. Заводы в Тольятти, Нижнем Новгороде и Ярославле выпускают бензиновые и дизельные агрегаты для легковых автомобилей, грузовиков и автобусов. Ярославский моторный завод специализируется на тяжёлых дизелях для грузовой техники, тракторов и промышленного оборудования. Отдельное направление: судовые и железнодорожные двигатели, которые производят на предприятиях в Коломне и Пензе.
Принципиальная схема четырёхтактного двигателя не менялась с конца XIX века, но инженерные решения внутри изменились принципиально: электронные системы управления впрыском, системы изменения фаз газораспределения, турбонаддув и рекуперация тепла вывели КПД современных моторов к 35–42%, тогда как первые автомобильные двигатели не превышали 15%.
