Как работает двигатель внутреннего сгорания.

Для непосвящённых, двигатель выглядит как хитросплетение металлических трубок и проводов. Возможно, покупая автомобиль, вы слышали что-то типа “двигатель V-6, объёмом 3 литра”. В этой статье мы рассмотрим базовые принципы работы двигателя.
Бензиновый двигатель преобразует энергию бензина, в поступательное движение автомобиля. Бензиновый двигатель есть не что иное, как двигатель внутреннего сгорания. Существуют различные виды двигателей внутреннего сгорания: дизельные, роторные, хеми, двухтактные. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Также существуют двигатели внешнего сгорания. Паровой двигатель паровоза и парохода, является наглядным примером двигателя внешнего сгорания. Топливо в паровом двигателе сгорает не в двигателе, а пар создаёт движение уже внутри двигателя. Двигатели внутреннего сгорания намного эффективнее двигателей внешнего сгорания, то есть расходуют меньше топлива при одинаковой работе. Плюс, двигатель внутреннего сгорания гораздо меньше, чем аналогичный по мощности, двигатель внешнего сгорания. Этот факт объясняет почему мы не увидим двигатель внешнего сгорания на автомобилях GM или Ford.
 
Принцип работы любого поршневого двигателя внутреннего сгорания заключается в следующем: если малое количество топлива, обладающего большой энергоёмкостью и находящегося в небольшом закрытом пространстве — поджечь, выделится огромное количество энергии в виде газа. Преобразовав эту энергию в поступательное или вращательное движение, можно использовать её для своих нужд.
 
Почти все современные автомобильные двигатели четырехтактные. Четырехтактный цикл сгорания так же известен как цикл Отто, в честь Nikolaus Otto, который предложил его в 1867 году.
Он состоит из следующих этапов:

• Впускной такт;
  
• Такт сжатия;
  
• Такт горения;
  
• Выпускной такт;
  

Рассмотрим подробнее каждый такт.

Впускной такт. Поршень из верхней точки начинает двигаться вниз, открывается впускной клапан и в цилиндр засасывается топливовоздушная смесь. Эта смесь состоит примерно из 15 частей воздуха и одной части бензина.
 
Такт сжатия. Поршень перемещается вверх, чтобы сжать смесь. Сжатие делает взрыв более эффективным.
 
Такт горения. Когда поршень достигает верхней точки, в цилиндре проскакивает искра и смесь взрывается, толкая поршень вниз.
 
Выпускной такт. После того как поршень достигает нижней точки, открывается выпускной клапан и поршень выталкивает отработавшие газы в выхлопную трубу. Работа газов заключалась в толкании поршня вниз, а так, как свою работу они выполнили их называют отработавшими.

 
На анимации выше каждый такт окрашивает камеру сгорания своим цветом, расшифровка цветов указана правее. Коленвал через шатун приводит в движение поршень. Таким образом, вращательное движение коленвала преобразуется в поступательное движение поршня.
Выше мы рассмотрели как работает один цилиндр. Обычно количество цилиндров в двигателе начинается с четырёх, также может быть шесть и восемь.
Расположены цилиндры могут быть одним из трёх способов: в ряд, напротив друг друга и в виде буквы “V”. Теперь понятно откуда берутся названия типа: рядная четвёрка или “V”—образная шестёрка. Каждая конфигурации имеет свои  преимущества и недостатки.



Рассмотрим основные части двигателя.

Свеча зажигания создаёт искру для поджига топливовоздушной смеси. Искра создаётся в цилиндре в строго определённое время.

Впускной и выпускной клапана открываются в строго заданное время, что бы поршень мог затянуть топливовоздушную смесь в цилиндр и выпустить отработавшие газы. Хотелось бы отметить, что во время рабочего такта, камера сгорания герметично закрыта клапанами.

Поршень представляет собой кусок металла, выполненный в форме цилиндра, который совершает поступательное движение внутри цилиндра.
Поршневые кольца выполняют несколько функций:

• Обеспечивают минимальный зазор между поршнем и кромкой цилиндра, обеспечивая максимальную герметичность.
  
•  Через кольца происходит охлаждение поршня, так как кольца связывают цилиндр с водяной рубашкой.
  
• Уменьшают расход масла.
  

Часто среди автомобилистов можно услышать фразу ”двигатель ест масло”, это значит что кольца неплотно прилегают к стенкам цилиндра и масло попадает в цилиндр, а там ему ничего не остаётся как сгореть.

Шатун соединяет поршень с коленчатым валом.

Коленчатый вал, вращаясь, за счёт своей геометрии позволяет двигаться поршню вверх, вниз.
 
Почему не заводится двигатель.
Вы выходите утром на работу, а ваша машина не заводится. Где же искать причину?
Теперь когда вы знаете как работает двигатель, давайте определим три основные причины:

• отсутствие искры;
  
• не поступает топливная смесь в цилиндр или поступает, но не в том количестве, или не должного качества;
  
• отсутствие должной компрессии;
  

Если отсутствует искра или появляется не в то время, автомобиль не заведётся. Искра может отсутствовать по следующим причинам:

• неисправна свеча;
  
• обрыв высоковольтного провода;
  

Перейдём к топливной смеси, если воздухозаборник забит, топлива будет достаточно, но воздуха будет недостаточно. Если топливный насос не создаёт положенного давления, ситуация будет обратной. Примесь в топливетакая, как вода, не даст двигателю завестись.

Отсутствие положенной компрессии может быть по следующим причинам:

• изношены поршневые кольца;
  
• впускные и выпускные клапана не обеспечивают должной герметичности;
  
• прогар цилиндра;
  

Также существуют другие причины:

•  сел аккумулятор, и стартер не может провернуть двигатель;
  
• заклинил подшипник коленчатого вала;
  
• сбились метки газораспределительного механизма;
  
• кто-то засунул в глушитель картошку, отработавшие газы не могут выйти из цилиндра и двигатель не заведётся;
  
• закончилось масло в двигателе;
   

 
Давайте рассмотрим подробнее как работает газораспределительный механизм(ГРМ).
Деталь, которая открывает и закрывает клапана, называется распределительным валом.
На распределительном валу можно увидеть кулачки, которые толкают клапана. Для того чтобы кулачки вовремя толкали клапана, распредвал соединён цепью или зубчатым ремнём с коленвалом. Таким образом, клапана синхронизированы с поршнями. Распределительный вал вращается со скоростью в два раза меньшей чем коленвал.

Система зажигания.
В системе зажигания генерируется высокое напряжение, которое потом передаётся через провода к свечам. Высокое напряжение подаётся на трамблёр, который определяет какой свече необходимо подать искру в данный момент. Увидеть это можно на анимации ниже.


 
Система охлаждения.
Система охлаждения в большинстве двигателей состоит из радиатора и водяного насоса. Охлаждающая жидкость циркулирует вокруг цилиндров, забирая тепло, затем проходя через радиатор — охлаждается. В некоторых автомобилях (в первую очередь Volkswagen Жук), а также на большинстве мотоциклов и газонокосилок, применяется двигатель с воздушным охлаждением. Воздушное охлаждение делает двигатель легче, но, как правило, ресурс и мощность двигателя снижаются. 

В этой статье мы рассмотрели не все системы автомобиля, как это сделано в оригинале, а лишь те которые показались нам наиболее интересными.