Двигатель внутреннего сгорания – это тепловая машина, в которой топливо сгорает прямо внутри рабочих цилиндров. Горячие расширяющиеся газы давят на поршни, поршни через шатуны вращают коленчатый вал, а трансмиссия передаёт это вращение колёсам. Такой двигатель превращает химическую энергию бензина, дизельного топлива или другого горючего сначала в тепло, а затем в механическую работу.
Почему он называется двигателем внутреннего сгорания
Слово «внутреннего» отличает его от паровой машины. В паровом двигателе топливо горит в топке, вода нагревается в отдельном котле, а полученный пар поступает к рабочему механизму. В автомобильном двигателе внутреннего сгорания топливовоздушная смесь воспламеняется внутри цилиндра, где сразу создаёт давление на поршень.
Это позволило сделать силовую установку компактнее. Машине больше не требовались большой котёл и запас воды, а запуск и изменение мощности со временем стали быстрее. Именно компактный мотор помог ранним самоходным экипажам превратиться в практичные автомобили. Об этом рассказывает начало маршрута «Когда появились первые автомобили?».
Из каких основных частей состоит двигатель
Рабочие процессы происходят в цилиндрах. Внутри каждого цилиндра движется поршень. Он соединён шатуном с коленчатым валом, который преобразует возвратно-поступательное движение во вращение. Сверху цилиндр закрывает головка с впускными и выпускными клапанами.
Во впускной тракт поступает воздух, а топливная система дозирует горючее. В бензиновом моторе смесь обычно воспламеняет электрическая искра свечи. В дизеле воздух сжимается так сильно, что нагревается, а впрыснутое топливо воспламеняется от высокой температуры.
Масло уменьшает трение и отводит часть тепла. Система охлаждения не позволяет деталям перегреваться. Маховик сглаживает неравномерность вращения, а газораспределительный механизм открывает клапаны в нужные моменты. Современный блок управления получает данные датчиков и корректирует подачу топлива, зажигание и другие параметры.
Как проходят четыре такта
Большинство автомобильных поршневых двигателей работает по четырёхтактному циклу. Один цикл требует четырёх ходов поршня и двух оборотов коленчатого вала.
Впуск. Поршень движется вниз, впускной клапан открыт, цилиндр наполняется воздухом или топливовоздушной смесью.
Сжатие. Клапаны закрываются, поршень поднимается и уменьшает объём над собой. Давление и температура растут.
Рабочий ход. В бензиновом двигателе свеча создаёт искру, а в дизельном впрыснутое топливо воспламеняется в горячем сжатом воздухе. Газы расширяются и толкают поршень вниз. Именно на этом такте двигатель получает полезную работу.
Выпуск. Открывается выпускной клапан, поршень поднимается и выталкивает отработавшие газы в выпускную систему.
Цилиндров несколько, а их циклы сдвинуты по времени. Пока в одном идёт рабочий ход, другие выполняют впуск, сжатие или выпуск. Поэтому вал вращается значительно ровнее, чем мог бы вращаться от одного редкого толчка.
Чем бензиновый двигатель отличается от дизельного
Главное различие – способ воспламенения. Бензиновому двигателю обычно нужна свеча зажигания. Дизель сжимает только воздух, затем впрыскивает топливо, которое загорается без искры. Более высокая степень сжатия помогает дизелю эффективно использовать энергию, но создаёт большие нагрузки на детали.
Различается и управление мощностью. Бензиновый мотор традиционно регулирует количество поступающей смеси дроссельной заслонкой. Дизель меняет прежде всего порцию впрыскиваемого топлива. Современные конструкции сложнее: турбонаддув, непосредственный впрыск и электронное управление сблизили многие характеристики, но основной принцип воспламенения остаётся разным.
Как движение поршней доходит до колёс
Коленчатый вал не соединён с колёсами напрямую. Между ними находится трансмиссия: сцепление или гидротрансформатор, коробка передач, приводные валы, дифференциал и полуоси. Передачи позволяют выбирать соотношение между скоростью вращения и крутящим моментом.
На старте колёсам нужен большой момент, поэтому используется низкая передача. На высокой скорости вал двигателя может вращаться быстро, а колёса – медленнее в соответствии с выбранным передаточным отношением. Дифференциал позволяет ведущим колёсам проходить в повороте разные расстояния.
Мощность показывает скорость выполнения работы, а крутящий момент – способность вращать вал под нагрузкой. Почему для мощности автомобиля сохранилась историческая единица, объясняет статья «Почему мощность автомобиля измеряется в лошадиных силах?».
Куда уходит энергия топлива
Не вся энергия превращается в движение. Значительная часть уходит с горячими выхлопными газами и через систему охлаждения. Энергия расходуется на трение, насосы, генератор и работу вспомогательных систем. В городских пробках двигатель может сжигать топливо, почти не перемещая автомобиль.
Инженеры повышают эффективность сжатием, точным впрыском, турбонаддувом, изменяемыми фазами газораспределения и отключением части цилиндров. Гибридная схема позволяет выключать мотор в остановках и возвращать часть энергии торможения в аккумулятор. Но тепловые потери полностью устранить нельзя: они следуют из самого способа преобразования энергии через горение.
Почему двигателю нужен выхлоп
После сгорания в цилиндре остаются газы, которые нужно вывести перед новым циклом. Выпускная система снижает шум, контролирует состав выбросов и отводит горячий поток. Каталитический нейтрализатор помогает превращать часть вредных компонентов в менее опасные вещества, а фильтры задерживают частицы.
Даже исправный двигатель образует углекислый газ при сжигании углеродного топлива. Кроме него при неблагоприятных режимах возникают оксиды азота, угарный газ, несгоревшие углеводороды и частицы. Поэтому расход топлива и работа системы очистки важны не только для владельца, но и для качества воздуха.
Почему этот двигатель победил пар и электричество
В начале автомобильной эпохи выбор не был очевидным. Электромобили были тихими и простыми, паровые машины обеспечивали плавную тягу, а бензиновые приходилось запускать вручную. Но жидкое топливо позволяло хранить много энергии в сравнительно лёгком баке и быстро пополнять запас.
Развитие стартера, карбюраторов, зажигания, массового производства и сети заправок сделало бензиновую машину удобнее для дальних поездок. Стандартизация снизила цену, а ремонтная инфраструктура усилила преимущество. Следующий этап маршрута показывает, как массовое производство сделало автомобиль доступным.
Чем электродвигатель принципиально отличается
Электромотору не нужны впуск, сжатие, сгорание и выпуск. Электромагнитное поле создаёт вращение непосредственно, поэтому тяга появляется быстро, а механических деталей и тепловых потерь обычно меньше. Энергию хранит тяговая батарея, а силовая электроника регулирует ток.
Это не делает электромобиль «автомобилем без двигателя»: двигатель у него есть, но электрический. Подробная схема разобрана в статье «Как работает электрический автомобиль?».
Двигатель внутреннего сгорания остаётся выдающимся инженерным устройством, которое более века обеспечивало массовую мобильность. Его главный принцип прост: контролируемое сгорание создаёт давление, поршни превращают давление в движение, а трансмиссия доставляет это движение к колёсам. Сложность современного мотора нужна для того, чтобы повторять этот цикл тысячи раз в минуту эффективно, надёжно и с меньшими выбросами.
