Появление двигателя внутреннего сгорания в XIX веке произвело настоящую революцию в транспортной сфере, кардинально изменив способы передвижения по суше, воде и воздуху. И хотя сегодня ДВС стали неотъемлемой частью нашего быта, принцип их внутреннего устройства для многих остается загадкой. В этом материале мы подробно разберем ключевые узлы двигателя, визуализацию работы которых вы можете увидеть ниже.
Для глубокого понимания механики процессы необходимо видеть в динамике, поэтому большая часть объяснений в этой статье снабжена анимированными схемами.
На первый взгляд конструкция кажется сложной, но мы будем двигаться поступательно: начнем с фундаментальных основ и простейших методов преобразования линейного усилия во вращательное движение.
Кривошипный механизм
Рассмотрим простейший кривошип, состоящий из рукоятки (выделена желтым), плеча (красное) и вала (синий). При приложении усилия к рукоятке вал начинает вращаться, что наглядно демонстрирует прикрепленный к нему диск:
Воздействие на рукоятку на определенном расстоянии от оси вала создает крутящий момент. Чем значительнее приложенное усилие, тем выше момент на валу. Именно этот принцип лежит в основе работы привычных нам механизмов — будь то ручная кофемолка или трансмиссия велосипеда.
Однако задача двигателя — не просто использовать мышечную силу, а преобразовывать энергию автономного источника. Еще столетия назад люди нашли эффективное решение — артиллерийское орудие. Посмотрите на следующую демонстрацию вылета ядра из пушки. Мы заглянем внутрь ствола, чтобы понять, что скрыто от глаз:
При воспламенении пороха мгновенно высвобождается колоссальный объем газа, который толкает ядро. Поскольку ядро плотно прилегает к стенкам, движение строго ограничено. Тем не менее, такая система не позволяет эффективно вращать кривошип:
Мы получим лишь короткий поворот вала, после чего снаряд покинет «систему». Чтобы использовать энергию взрыва более рационально, нам потребуется модификация.
Прежде всего, заменим пушечное ядро на поршень (красный) — цилиндрическую деталь с осевым отверстием. Соединим его с помощью поршневого пальца (желтый) с шатуном (зеленый), который, в свою очередь, будет свободно качаться на коленчатом валу (синий):
Коленчатый вал объединяет вращающуюся ось и кривошип, воспринимающий нагрузку. Поместив этот узел в закрытый «ствол», называемый цилиндром (серый), мы решаем проблему с «вылетом снаряда», так как движение поршня теперь ограничено, и при вращении вала он будет возвращаться в исходное положение:
Теперь поршень совершает возвратно-поступательное движение между крайними точками. Одиночный ход поршня в одном направлении называется тактом. Происходящий взрыв толкает поршень вниз, передавая импульс коленчатому валу:
Разовая вспышка малоэффективна. Для практического применения нам нужно циклично повторять подачу топлива, сгорание и отвод продуктов реакции. Твердое топливо (порох) для этих целей не подходит, поэтому переходим на жидкое, дозирование которого легко автоматизировать клапанами. Модернизируем наш цилиндр, добавив впускные и выпускные каналы:
Для наглядности изучим поперечное сечение:
Слева через впускное отверстие подается топливо-воздушная смесь, а справа через выпускное удаляются отработанные газы. Эти каналы перекрываются впускным (зеленый) и выпускным (желтый) клапанами. Поджиг смеси осуществляется электрической искрой между электродами. Посмотрим, как это функционирует в комплексе:
Теперь система готова к работе. Сначала открывается впускной клапан, и поршень на такте впуска засасывает смесь (желтый цвет):
Достигнув нижней точки, клапан закрывается, и начинается такт сжатия. Сдавливание топливной смеси значительно повышает термический КПД будущего сгорания:
Искра вызывает воспламенение, расширяющиеся газы толкают поршень вниз — это рабочий ход, создающий крутящий момент на валу:
Важно помнить, что реальное распространение пламени — процесс сложный, здесь мы приводим лишь упрощенную модель. После сгорания цилиндр заполнен отработанными газами, которые удаляются на такте выхлопа при открытии соответствующего клапана:
Цикл завершен. Давайте взглянем на всю последовательность:
Поскольку поршень совершает два движения вниз и два вверх, мы называем такой двигатель четырехтактным. Обратите внимание: для одного полного цикла поршня требуется два полных оборота коленчатого вала.
Этот простейший пример — лишь база. Современные двигатели устроены куда сложнее. Давайте перейдем к устройству полноценного автомобильного агрегата.
Блок цилиндров
Основа двигателя — блок цилиндров. Это массивный корпус, служащий каркасом для крепления всех компонентов:
В данном блоке четыре цилиндра. Одиночный цилиндр выдает мощность только в 25% времени цикла, что порождает значительную вибрацию. Для ее минимизации в автоиндустрии используют многоцилиндровые компоновки (рядные, оппозитные или V-образные). Ребра жесткости на блоке необходимы для противостояния ударным нагрузкам от взрывов. В поперечном сечении видны полости для охлаждающей жидкости, отводящей лишнее тепло, что обеспечивает стабильный температурный режим работы двигателя.
Коленчатый вал
Следующий элемент — коленчатый вал:
У него есть пять коренных шеек (синие) — ось вращения, и четыре шатунные шейки (красные), смещенные относительно центра. Хотя детали окрашены условно, весь вал — это единая металлическая отливка. Различное положение шатунных шеек позволяет поршням работать в разных фазах цикла, сглаживая неравномерность хода. Вращающиеся массы поршней и шатунов создают дисбаланс, для компенсации которого на щеках вала предусмотрены противовесы.
Установка вала в блок требует использования подшипников скольжения (вкладышей), чтобы избежать прямого трения металла о металл:
Масло под давлением подается через каналы в блоке и валу, создавая тончайшую пленку — эффект гидродинамической смазки. Вал фактически «парит» на этой пленке, не касаясь вкладышей.
Собранный узел фиксируется крышками подшипников с высокоточным моментом затяжки болтов, чтобы не деформировать посадочные места.
Поршневая группа
Поршни должны быть максимально легкими для снижения инерционных потерь:
Для герметизации камеры сгорания используются поршневые кольца. Даже при высокой точности изготовления между ними и стенками цилиндра остается микронный зазор, который при работе заполняется маслом. Маслосъемное кольцо (третье в наборе) отвечает за удаление излишков масла со стенок цилиндра.
Поршень соединяется с шатуном с помощью пальца, фиксируемого стопорными кольцами:
Рабочий объем двигателя V вычисляется как произведение площади сечения цилиндра (A) на ход поршня (S), умноженное на количество цилиндров (n): V = n · A · S.
Продолжение следует…
