Как работает автомобильный двигатель

Автомобильный двигатель делает одно и то же действие десятки раз в секунду: в закрытом цилиндре сжигает смесь топлива с воздухом, а горячие газы, резко расширяясь, толкают поршень вниз. Кривошипный механизм превращает этот толчок в поворот вала, маховик сглаживает рывки, и на выходе получается ровное вращение, которое через коробку передач уходит к колёсам. Всё остальное в моторе - клапаны, форсунки, свечи, насосы, электроника - обслуживает эту одну операцию: подать нужную смесь, вовремя поджечь, вовремя выпустить и не дать деталям расплавиться.

Из толчка во вращение

Поршень ходит вверх-вниз в цилиндре, а колёса нужно вращать. Переводит одно в другое кривошипно-шатунный механизм, тот же по устройству, что в ножной швейной машинке или в паровозе.

Поршень соединён с шатуном, шатун - с шейкой коленчатого вала, смещённой относительно оси вращения. Пока поршень идёт вниз, он через шатун давит на эту смещённую шейку сбоку, и вал поворачивается. Дальше движение продолжается по инерции: маховик, тяжёлый диск на конце вала, накапливает энергию рабочего хода и проворачивает механизм через мёртвые точки, где толкать уже некуда.

Расстояние между крайними положениями поршня называется ходом, а объём, который он при этом описывает, умноженный на число цилиндров, - рабочим объёмом двигателя. Это те самые полтора или два литра из документов.

Четыре такта и почему их именно четыре

Чтобы сжигание повторялось, каждый цилиндр обязан проделать четыре разных дела, и совместить их нельзя.

Впуск: поршень идёт вниз, впускной клапан открыт, цилиндр наполняется воздухом или готовой смесью. Сжатие: оба клапана закрыты, поршень идёт вверх и сжимает содержимое. Рабочий ход: смесь поджигают в момент, когда поршень около верхней точки, давление резко растёт и швыряет поршень вниз - это единственный такт, который даёт энергию. Выпуск: поршень идёт вверх, открыт выпускной клапан, отработавшие газы выталкиваются в выхлопную трубу.

Поршень сделал четыре хода, значит коленвал провернулся дважды, а полезная работа была только один раз. Отсюда важная деталь механики: распределительный вал, который открывает клапаны, должен вращаться ровно вдвое медленнее коленчатого, потому что каждый клапан открывается один раз за два оборота. Их и связывают ремнём или цепью в жёстком соотношении, и сбой этой связи означает, что клапан откроется не в свой такт и встретится с поршнем.

Зачем смесь сжимать перед поджогом

Можно было бы поджигать топливо и без сжатия, но КПД был бы жалким. Сжатие поднимает и температуру, и давление ещё до горения, а значит после воспламенения давление получается выше и работа, отданная поршню, больше. Кроме того, в сжатой смеси пламя распространяется быстрее и топливо успевает сгореть полностью.

Насколько сильно сжимают, показывает степень сжатия - во сколько раз уменьшается объём над поршнем. У бензиновых двигателей она обычно лежит в диапазоне примерно от 9 до 12, и предел здесь ставит детонация. Если сжать слишком сильно, смесь в дальних углах камеры вспыхивает сама, не дождавшись фронта пламени от свечи, и вместо плавного нарастания давления получается ударная волна: слышен звонкий стук, поршни и прокладка быстро разрушаются. Способность бензина сопротивляться такому самовоспламенению и описывает октановое число: чем оно выше, тем большую степень сжатия топливо терпит. Именно поэтому мотор, рассчитанный на девяносто пятый, на девяносто втором начинает стучать или теряет мощность, когда электроника гасит стук поздним зажиганием.

Как в цилиндр попадает нужная порция топлива

Бензин горит только в довольно узком диапазоне пропорций с воздухом. Полное сгорание требует примерно четырнадцати с половиной килограммов воздуха на килограмм бензина, и заметное отклонение в любую сторону портит и мощность, и выхлоп.

Поэтому мотор сначала измеряет воздух, а топливо добавляет к нему. Датчик на впуске оценивает расход воздуха, блок управления пересчитывает его в нужную дозу бензина и открывает форсунку ровно на столько миллисекунд, сколько требуется. Форсунка - это электромагнитный клапан с распылителем: подали импульс, игла поднялась, топливо под давлением ушло в поток мелкой взвесью.

Контроль замыкает кислородный датчик в выпускном тракте. Он смотрит, сколько кислорода осталось в выхлопе, и сообщает, была смесь богатой или бедной. Блок управления тут же подправляет дозу, и так по кругу много раз в секунду. Без этой обратной связи не работал бы и катализатор: он дожигает остатки только в узком окне состава смеси.

Давление подачи различается в разы. При впрыске во впускной коллектор хватает нескольких атмосфер, при впрыске прямо в цилиндр нужны уже сотни, потому что топливо приходится подавать против сжатого воздуха и распылять его за считаные миллисекунды.

Искра: откуда берутся десятки тысяч вольт

В бензиновом моторе смесь поджигает свеча, а для пробоя её зазора нужно напряжение в десятки киловольт, которых в бортовой сети нет и близко.

Делает их катушка зажигания - трансформатор с двумя обмотками. По первичной, из толстого провода и с малым числом витков, пускают ток от аккумулятора и накапливают энергию в магнитном поле сердечника. Затем ток резко обрывают. Исчезающее поле наводит во вторичной обмотке, где витков в сотни раз больше, короткий импульс высокого напряжения. Он пробивает воздушный промежуток между электродами свечи, и в искре смесь загорается.

Момент искры критичен. Смесь горит не мгновенно, ей нужно время, и поджигать приходится немного раньше, чем поршень дойдёт до верхней точки. Этот угол опережения блок управления постоянно меняет: на высоких оборотах поджигает раньше, при риске детонации позже, при холодном пуске иначе, чем на прогретом моторе.

Клапаны, распредвал и дыхание мотора

Клапан открывает не электроника, а кулачок распределительного вала - выступ, который набегает на толкатель и продавливает клапан внутрь. Обратно клапан возвращает пружина, и она же прижимает его к седлу так плотно, чтобы держать давление сжатия.

Форма кулачка задаёт фазы газораспределения: когда клапан открылся, насколько высоко поднялся, когда закрылся. Одни фазы хороши на низких оборотах, где важна тяга, другие на высоких, где надо успеть наполнить цилиндр за очень короткое время. Компромисс между ними и есть характер мотора, поэтому появились фазовращатели, поворачивающие распредвал относительно привода на ходу, и системы, меняющие высоту подъёма клапана.

Количеством воздуха при этом управляет дроссельная заслонка на впуске: педаль газа в бензиновом двигателе управляет именно ей, а топливо дозируется уже под измеренный воздух. Наддув делает обратное - принудительно заталкивает в цилиндр больше воздуха, чем тот вобрал бы сам, за счёт компрессора, который на турбомоторе крутит поток выхлопных газов. Больше воздуха - больше топлива можно сжечь в том же объёме, значит больше мощность без увеличения литража.

Зачем цилиндров несколько

Один цилиндр даёт рабочий ход раз в два оборота, то есть работает рывками, и без тяжёлого маховика мотор трясло бы нещадно. Несколько цилиндров работают по очереди, со сдвигом, и вспышки распределяются равномерно по обороту: у четырёхцилиндрового двигателя рабочий ход происходит каждые пол-оборота, у шестицилиндрового ещё чаще.

Отсюда и разные схемы. Рядное расположение проще и дешевле, V-образное позволяет уложить много цилиндров в короткий блок, оппозитное разводит поршни в стороны и снижает высоту центра тяжести. Порядок работы цилиндров выбирают так, чтобы нагрузка на коленвал шла попеременно с разных концов, а сам вал уравновешивают противовесами.

Масло и охлаждение: почему без них мотор живёт минуты

Коленвал крутится в подшипниках скольжения, где стальная шейка вращается внутри мягкого вкладыша. Прямого контакта металла о металл там быть не должно: масляный насос подаёт масло под давлением, и вращающаяся шейка сама затягивает его в зазор, создавая тонкий несущий слой. Деталь буквально плавает на масляной плёнке. Поэтому падение давления масла опаснее любой другой неисправности: плёнка исчезает, и вкладыши начинают тереться напрямую.

Одновременно масло уносит тепло, смывает продукты износа и уплотняет зазор между поршневыми кольцами и стенкой цилиндра. Отдельно за температуру отвечает система охлаждения: насос гоняет жидкость по каналам в блоке и головке, радиатор отдаёт тепло воздуху, а термостат до прогрева гоняет её по малому кругу, минуя радиатор. Держат температуру в районе 90-105 градусов, и не потому, что больше нельзя, а потому что это компромисс: холодный мотор изнашивается быстрее и хуже расходует топливо, перегретый теряет прочность и рискует деформацией головки.

Незамерзающая жидкость вместо воды нужна по трём причинам сразу: она не замерзает зимой, разрывая блок, кипит при более высокой температуре и содержит присадки против коррозии и накипи.

Дизель: то же самое, но без свечи

Дизельный двигатель проходит те же четыре такта, но поджигает топливо иначе. На впуске он берёт только воздух и сжимает его гораздо сильнее, обычно в диапазоне примерно от 14 до 22 раз. От сжатия воздух разогревается до нескольких сотен градусов, и когда в конце такта в него впрыскивают солярку, она воспламеняется сама. Свеча зажигания не нужна вовсе, а свечи накаливания в дизеле нужны для другого - подогреть камеру при холодном пуске.

Из этого вытекают все различия. Дизелю не нужна дроссельная заслонка: мощность регулируют количеством впрыснутого топлива, а воздух идёт свободно. Давление впрыска у него на порядки выше бензинового, потому что топливо приходится подавать в сильно сжатый горячий воздух и распылять почти мгновенно. Детали нагружены сильнее, поэтому дизель тяжелее при том же объёме. Взамен он выигрывает в экономичности: высокая степень сжатия даёт больший КПД.

Куда уходит энергия топлива

Двигатель внутреннего сгорания превращает в движение меньшую часть того, что сжёг. У бензинового в полезную работу идёт ориентировочно четверть-треть энергии топлива, у дизельного заметно больше. Остальное уносится теплом: часть в выхлопную трубу, часть в систему охлаждения, часть тратится на трение и на привод собственных механизмов - насосов, генератора, клапанов.

Понимание этого объясняет многие решения конструкторов. Турбина отбирает часть тепла выхлопа и возвращает её в виде наддува. Печка в салоне бесплатна ровно потому, что тепло всё равно нужно куда-то деть. А коробка передач нужна как раз потому, что мотор развивает приемлемый КПД и тягу лишь в узком диапазоне оборотов, и его приходится согласовывать со скоростью машины: как это делает автоматическая коробка передач, мы разбираем отдельно.