Автомобильный двигатель внутреннего сгорания состоит из механизма цилиндров, поршней, шатунов и коленчатого вала, газораспределительного механизма, а также систем подачи воздуха и топлива, зажигания, смазки, охлаждения и выпуска. Он превращает химическую энергию топлива в вращение коленвала, которое через трансмиссию передаётся колёсам.
Что называют двигателем
Двигатель – машина, преобразующая один вид энергии в механическую работу. Паровой двигатель использует давление пара, электродвигатель – взаимодействие магнитных полей, реактивный – импульс истекающей струи. Поэтому состав зависит от типа.
Дальше речь идёт о распространённом поршневом четырёхтактном двигателе автомобиля. Общий принцип сгорания отдельно разобран в статье о двигателе внутреннего сгорания, а электрическая машина устроена принципиально иначе.
Блок цилиндров и головка
Блок образует силовую основу. В нём расположены цилиндры, каналы охлаждающей жидкости и масляные магистрали, а снизу устанавливается коленчатый вал. Блок делают из чугуна или алюминиевого сплава с подходящими рабочими поверхностями.
Сверху крепится головка блока цилиндров. В ней находятся камеры сгорания, впускные и выпускные каналы, клапаны, а во многих конструкциях – распределительные валы. Между блоком и головкой стоит прокладка, которая герметизирует газы, масло и охлаждающую жидкость.
Поршни, шатуны и коленвал
Поршень движется вверх и вниз внутри цилиндра. Компрессионные кольца уменьшают прорыв газов, а маслосъёмное регулирует плёнку масла на стенке. Поршневой палец соединяет поршень с шатуном.
Шатун передаёт усилие на коленчатый вал. Смещённые шатунные шейки превращают возвратно-поступательное движение во вращение. Противовесы помогают уравновешивать механизм, а подшипники скольжения поддерживают масляную плёнку между нагруженными поверхностями.
На конце коленвала установлен маховик. Его инерция сглаживает неравномерность отдельных рабочих тактов и помогает передавать момент сцеплению или гидротрансформатору.
Газораспределительный механизм
Цилиндру нужно вовремя впустить воздух и выпустить отработавшие газы. Клапаны открываются кулачками распределительного вала через толкатели, рычаги или другие элементы. Пружины возвращают их в закрытое положение.
Коленчатый и распределительный валы синхронизированы ремнём, цепью или шестернями. В четырёхтактном двигателе распредвал вращается вдвое медленнее коленвала. Нарушение фаз ухудшает работу, а в некоторых конструкциях обрыв привода приводит к встрече поршней с клапанами.
Четыре такта
На впуске поршень опускается, впускной клапан открыт и цилиндр наполняется воздухом либо смесью. На сжатии клапаны закрыты, поршень идёт вверх. В бензиновом моторе свеча зажигает смесь, а расширяющиеся газы выполняют рабочий ход, толкая поршень вниз.
На выпуске поршень поднимается и выталкивает газы через выпускной клапан. В дизеле воздух сжимается сильнее, топливо впрыскивается в горячий сжатый воздух и воспламеняется без обычной свечи зажигания. В многоцилиндровом моторе такты распределены, поэтому коленвал вращается сравнительно ровно.
Подача воздуха и топлива
Воздух проходит фильтр, измерительные датчики и дроссельную заслонку, затем распределяется впускным коллектором. Турбокомпрессор, если он есть, использует энергию выпускных газов для повышения давления воздуха. Интеркулер охлаждает сжатый воздух и увеличивает его плотность.
Топливный насос создаёт необходимое давление, а форсунки дозируют топливо. Электронный блок управления рассчитывает момент и количество впрыска по показаниям датчиков. Современный мотор – не только механика, но и система управления с программой и обратной связью.
Зажигание
В бензиновом двигателе катушки создают высокое напряжение, а свечи дают искру в нужный момент. Слишком раннее или позднее зажигание ухудшает эффективность и может вызвать перегрев. Датчики детонации помогают блоку управления корректировать угол.
Дизельные свечи накаливания не поджигают смесь во время каждого рабочего такта. Они помогают прогреть камеру при холодном запуске. Основное воспламенение происходит от температуры сжатого воздуха.
Смазка
Масляный насос забирает масло из поддона и подаёт его через фильтр к подшипникам, валам и другим узлам. Плёнка уменьшает трение, отводит тепло и уносит загрязнения. Каналы и зазоры рассчитаны под определённую вязкость.
Недостаток масла, неподходящая спецификация или забитый фильтр ускоряют износ. Лампа давления требует немедленной безопасной остановки и проверки по инструкции, а не доливки наугад. Уровень измеряют на ровной площадке установленным производителем способом.
Охлаждение
Насос прокачивает охлаждающую жидкость через блок и головку. Термостат направляет поток по малому кругу при прогреве, затем открывает путь к радиатору. Вентилятор усиливает обдув на малой скорости автомобиля.
Система герметична и работает под давлением, поэтому горячую крышку нельзя открывать: жидкость может вскипеть и вызвать ожог. Антифриз также защищает от замерзания и коррозии, а смешивать несовместимые составы не следует.
Выпуск и очистка газов
Выпускной коллектор собирает газы. Каталитический нейтрализатор, кислородные датчики, сажевый фильтр и другие элементы уменьшают выбросы и помогают управлению смесью. Глушители снижают шум, но не выполняют функцию очистки катализатора.
Неисправность одной системы влияет на другие. Например, неправильная смесь повышает температуру катализатора, а пропуски зажигания могут повредить его. Диагностика начинается с кодов и измерений, а не с замены случайной детали.
Чем электродвигатель отличается
В электромоторе нет цилиндров, клапанов, форсунок и выпуска. Ротор вращается в магнитном поле статора, а силовая электроника регулирует ток. Подробности раскрывает статья об устройстве электродвигателя.
Электромобиль всё равно имеет охлаждение, подшипники, редуктор и управляющие системы, но деталей трения и регулярных операций обслуживания обычно меньше. Гибрид сочетает двигатель внутреннего сгорания с одной или несколькими электрическими машинами.
Почему число деталей различается
Рядный четырёхцилиндровый мотор, оппозитный двигатель и V-образный восьмицилиндровый имеют неодинаковое количество головок, валов и приводов. Турбонаддув, непосредственный впрыск, изменение фаз и отключение цилиндров добавляют узлы. Поэтому универсальная схема показывает принцип, но не заменяет руководство конкретной модели.
Навесное оборудование тоже считают по-разному. Генератор, стартер и компрессор кондиционера обслуживают автомобиль, но не входят в базовый кривошипный механизм. При заказе детали нужны код двигателя, год и каталог, а не только объём мотора.
Главное
Двигатель работает как согласованная система: цилиндры создают давление, кривошипный механизм превращает движение, клапаны управляют газами, а топливо, искра, масло и охлаждение обеспечивают цикл. Историю первого автомобиля можно продолжить в статье об изобретателе машины с ДВС. Другие важные механизмы собраны в разделе «Величайшие изобретения» и маршрутах знаний.
