Что такое двигатель внутреннего сгорания: где находится, из чего состоит, как работает

Представьте, что вам удалось поймать в металлическую клетку силу тысячи маленьких, но мощных взрывов, и превратить ее в плавное и контролируемое движение. Это не магия и не сцена из фантастического блокбастера. Это то, что происходит под капотом автомобиля каждый раз, когда поворачиваете ключ зажигания. 

Виновник этого торжества физики, химии и инженерной гениальности — двигатель внутреннего сгорания. Эта сложная, но до мелочей продуманная машина, и сегодня мы разберем, как же она устроена.

В этой статье:

1. Двигатель — это проще, чем кажется
2. Принцип работы ДВС
3. Из чего состоит двигатель
4. Команда поддержки: системы, без которых мотор не жилец

Двигатель — это проще, чем кажется

Если отбросить техническую сложность, то двигатель — это большой и прочный металлический контейнер, внутри которого горит топливо. Однако вся хитрость заключается не в горении, а в нашей способности направить выделившуюся колоссальную энергию в нужное русло. 

Основная задача — заставить энергию крошечного взрыва выполнять полезную работу: вращать колесо, пропеллер самолета или лопасти турбины. Сердце любого бензинового двигателя внутреннего сгорания — это цилиндры, поршни и хитроумный механизм, который преобразовывает линейное движение во вращательное.

Цилиндр — идеально отполированный стакан, внутри которого с минимальным зазором движется поршень — своего рода перевернутый металлический стаканчик. С помощью специального пальца поршень соединен с шатуном, а тот, в свою очередь, — с коленчатым валом, главным преобразователем энергии в моторе. Именно коленвал превращает возвратно-поступательные движения поршней во вращение, которое мы в итоге получаем на маховике.

Вспомните, как едет велосипедист: ваши ноги, движущиеся вверх-вниз, — это поршни, а шатуны, соединяющие ноги с педалями, и есть аналог коленвала, который вращает звездочку и передает усилие на колесо. Вот так просто и гениально устроена основа всего механизма.

Принцип работы ДВС

Но чтобы этот «железный велосипед» поехал, ему нужна энергия. Здесь мы и подходим к фундаментальному принципу работы ДВС, который строится на чередовании четырех тактов: «впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск». Давайте оживим эту сухую схему.

Впуск

Все начинается с первого такта — впуска. В это время поршень, подчиняясь инерции, начинает движение из верхней точки вниз. Система управления двигателем открывает впускной клапан, и в цилиндр врывается свежая порция топливовоздушной смеси — мельчайший аэрозоль из капелек бензина и воздуха. Представьте, как вы шприцем без иголки набираете воду — поршень работает точно так же, как поршень шприца.

Сжатие

Начинается второй такт — сжатие. Оба клапана — и впускной, и выпускной — теперь плотно закрыты. Возвращающемуся поршню некуда девать захваченную смесь, и он начинает ее сжимать в маленьком объеме у самой верхней точки своего хода, в пространстве, которое называется камерой сгорания. 

В этот момент смесь становится плотной и чрезвычайно активной. Ее молекулы находятся в состоянии готовности, давление и температура резко возрастают, и для подрыва этого миниатюрного заряда требуется лишь одна маленькая искра. Это момент максимального напряжения, предшествующий главному событию.

Сжатие происходит, когда поршень практически достигает своей верхней мертвой точки. Электронный блок управления подает команду, и на свече зажигания проскакивает мощная электрическая искра. Она-то и поджигает сжатую топливо-воздушную смесь.

Рабочий ход 

Горение происходит очень быстро, напоминая контролируемый взрыв. Образовавшиеся при этом раскаленные газы, стремясь расшириться, с огромной, невероятной силой давят на поверхность поршня, заставляя его стремительно лететь вниз. 

Это — третий такт, и он единственный, ради которого и затеян весь этот сложный и точный план. Именно в этот миг тепловая энергия, скрытая в молекулах бензина, превращается в полезную механическую работу: движение поршня через шатун передается на коленвал, заставляя его вращаться с новой силой.

Выпуск 

Теперь открывается выпускной клапан, и поршень выталкивает отработавшие, уже бесполезные газы через выпускной коллектор в выхлопную систему, чтобы освободить место для новой порции свежего заряда. Цикл из четырех тактов завершен, и все готово к новому, идентичному витку, который повторяется тысячи раз в минуту.

Чтобы машина служила долго и безопасно, в нее надо регулярно вкладываться. Внезапный ремонт, да и плановое обслуживание могут существенно ударить по бюджету. В таких ситуациях спасением может стать карта «Халва». Она поможет распределить затраты на покупку запчастей или услуги автосервиса на несколько месяцев без переплат или вернуть часть средств — за счет кешбэка.

Из чего состоит двигатель

Чтобы этот цикл работал как швейцарские часы, устройство двигателя включает системы-помощники, каждая из которых выполняет свою жизненно важную роль.

Главная и самая массивная деталь — блок цилиндров. Это литая деталь, чаще всего из чугуна или алюминиевого сплава. Внутри него расположены цилиндры, которые могут быть расточены прямо в материале блока или быть сменными гильзами. По ним, как по идеальным направляющим, и бегают поршни, уплотненные специальными поршневыми кольцами.

Сверху блок накрыт головкой блока цилиндров (ГБЦ) — это интеллектуальный и технологический центр двигателя. В ней находятся клапаны — впускные и выпускные, которые работают, открываясь и закрываясь в строго определенный момент, чтобы впустить свежий заряд и выпустить выхлоп. Управляет их движением механизм газораспределения (ГРМ), в который входят ремень или цепь, натяжители, ролики и распределительный вал с кулачками, которые нажимают на клапаны в нужной последовательности.

Коленчатый вал, вращающийся в подшипниках скольжения (вкладышах), — это главный преобразователь. На его конце крепится маховик — тяжелый диск, который сглаживает рывки от рабочих ходов и передает крутящий момент дальше, на коробку передач.

Команда поддержки: системы, без которых мотор не жилец

Однако сам по себе двигатель внутреннего сгорания долго не проработает. Ему необходимы системы:

• Смазки. Масляный насос под давлением гонит моторное масло по сложной сети каналов ко всем трущимся деталям: к подшипникам коленвала, стенкам цилиндров, кулачкам распределительного вала. Без этой масляной пленки металл бы мгновенно нагрелся до температур сварки и двигатель бы заклинило в первые же секунды работы.
• Охлаждения. Выступает в роли кондиционера, отводя лишнее тепло от раскаленных деталей. Обычно это делают с помощью жидкости-антифриза, которая циркулирует по специальным полостям в блоке и головке цилиндров, забирая у них тепло.

• Питания. Это «шеф-повар» мотора, который готовит смесь бензина и воздуха в нужной пропорции и подает ее во впускной коллектор.
• Зажигания. В нужный момент дает искру для подрыва заряда.
• Выпуска. Выводит отработавшие газы и делает это с наименьшим шумом благодаря глушителю.

Понимая эту безупречную гармонию механизмов и систем, уже не кажется удивительным, как работает двигатель в целом. Это слаженный оркестр, где каждый музыкант — будь то поршень, клапан или капля масла — выполняет свою партию с ювелирной точностью и абсолютной синхронностью. Тысячи маленьких взрывов в минуту, следующих друг за другом с частотой метронома, создают ту самую мощь, что несет автомобиль вперед.

Несмотря на растущую популярность электромобилей и экологические вызовы, двигатель внутреннего сгорания остается одним из величайших изобретений человечества, шедевром инженерной мысли, механики и термодинамики. Это технология, которая определила облик XX века и продолжает играть ключевую роль сейчас.