О том, что под капотами большинства авто, разъезжающих по нашим дорогам, стоят двигатели внутреннего сгорания, мы все, вроде бы, знаем. Но что вообще значит фраза «двигатель внутреннего сгорания»? Как он устроен, на чём работает, из чего состоит, зачем ему клапаны, цилиндры и что такое распредвал? Отвечаем на восемь простых и отнюдь не стыдных вопросов об устройстве ДВС.

Материал  обновлён 20.01.2023 г.

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.

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.