Изобретение в 19-м веке двигателя внутреннего сгорания совершило революцию перевозки по суше, воде и воздуху. Несмотря на то, что сегодня такие двигатели применяются повсюду, их внутреннее устройство для кого-то может продолжать оставаться загадкой. В этой статье я бы хотел объяснить работу всех основных частей двигателя, показанного в видео ниже.

Сложно обсуждать механическое устройство без визуализации его движения, поэтому многие демонстрации в этом посте анимированы.

Подобный двигатель может показаться сложным, но мы будем разбирать его, начиная с самых основ. На самом деле, мы начнём с гораздо более простого способа создания вращательного движения.

Кривошип

Давайте рассмотрим простой кривошип. Он состоит из рукоятки (обозначена жёлтым), плеча (красное) и вала (синий). Когда к рукоятке прикладывают силу, вал вращается, что можно наблюдать, глядя на прикреплённый диск:

Сила, приложенная на расстоянии от вала, создаёт крутящий момент. Чем сильнее давить на рукоятку, тем больше крутящий момент на валу. Именно такой механизм преобразует линейную силу в крутящий момент в ручной кофемолке или в велосипеде.

Вызывать движение при помощи собственных мышц — это одно, но весь смысл создания двигателя заключается в том, чтобы работу выполняло само устройство. Для этого нам нужно найти надёжный источник большой силы, которую легко направлять. К счастью, такое устройство создали ещё сотни лет назад — нужное нам делает пушка. В показанной ниже демонстрации можно увидеть, как пушечное ядро вылетает из пушки. Диагональной штриховкой обозначено поперечное сечение — давайте посмотрим, что происходит в части, которая обычно сокрыта от глаз:

При воспламенении пушечный порох мгновенно образует большой объём газа, выталкивающий ядро из ствола. Так как ядро плотно прилегает к стенкам, оно может двигаться только в одном направлении. Хоть такая система надёжна и её легко направлять, пушечное ядро не будет особо эффективно в толкании кривошипа:

Мы сможем выполнить лишь частичный поворот вала, после чего ядро улетит навсегда. Однако, внеся некоторые изменения, мы можем использовать толкающую силу взрыва значительно оптимальнее.

Во-первых, мы заменим пушечное ядро поршнем (красный) цилиндрической формы с просверлённым в нём отверстием. Затем с помощью поршневого пальца (жёлтый) прикрепим к нему шатун (зелёный), который сможет свободно качаться на коленчатом валу (синий):

Коленчатый вал состоит из вращающегося вала и кривошипа, к которому прикладывается сила. Поместив этот узел в упрощённый пушечный ствол, который называется цилиндром (серый), мы решили проблему улетающего ядра, поскольку поршень ограничен в своём движении вниз и при вращении коленчатого вала возвратится наверх:

Обратите внимание, что теперь у поршня есть минимальная и максимальная позиция, достигаемая внутри цилиндра. Одиночное движение на эту длину вверх или вниз называется тактом (ходом). Если мы произведём взрыв, то газы сгорания толкнут поршень вниз, благодаря чему повернётся коленчатый вал:

Этот механизм пока всё не очень впечатляет, потому что проделывает полезную вращающую работу только один раз. Чтобы сделать его более практичным, нужно повторять цикл взрывов — раз за разом добавлять новое топливо, запускать процесс сгорания и выводить выхлопные газы.

Твёрдые виды топлива наподобие чёрного пороха не особо практичны для автоматизированного механизма. Гораздо проще работать с топливом в жидком виде — его подачей можно управлять при помощи различных клапанов. Мы модифицируем изготовленный нами цилиндр, добавив новые отверстия в верхней части камеры сгорания:

Возможно, расположение различных отверстий сложно понять, так что давайте рассмотрим поперечное сечение:

Через большое изогнутое отверстие слева мы подаём смесь бензина и воздуха, а через правое выводим выхлопные газы. Эти два отверстия закрыты впускным клапаном (зелёный) и выпускным клапаном (жёлтый). Для поджигания смеси мы используем электрическую искру, создаваемую двумя оголёнными концами проводника. Давайте посмотрим, как всё это выглядит вместе:

Теперь мы готовы применять этот механизм для выполнения полезной работы. Сначала мы открываем впускной клапан, когда поршень движется вниз, впуская воздух с топливом, которые обозначены жёлтым цветом. Этот такт впуска (intake):

Когда поршень достигает своей нижней точки, впускной клапан закрывается, и поршень начинает возвращаться назад, сжимая топливно-воздушную смесь, что повышает тепловой КПД сгорания. Это такт сжатия (compression):

Через оголённые концы проводника подаётся ток, создавая искру, поджигающую топливно-воздушную смесь. Расширяющиеся газы, созданные сгоранием, толкают поршень вниз, создавая крутящий момент на коленчатом валу. Это рабочий (power) такт:

Стоит отметить, что распространение пламени внутри цилиндра происходит довольно сложно, а в статье показана упрощённая визуализация. Теперь цилиндр заполнен выхлопными газами, которые можно вывести через другое отверстие, открыв выпускной клапан. Это такт выхлопа (exhaust):

Мы вернулись к тому, с чего начинали, и цикл завершён. Давайте посмотрим на все эти четыре этапа вместе:

Так как поршень дважды движется вниз и дважды вверх, получается четыре такта, а созданный нами двигатель называется четырёхтактным. Обратите внимание, что нужно два оборота коленчатого вала для выполнения одного полного цикла поршня, состоящего из четырёх фаз: впуска, сжатия, выполнения работы и выхлопа.

Хоть этот двигатель и работает, он ближе к искусственному примеру, не отражающему всю изобретательность, лежащую в основе разнообразных частей реальных двигателей внутреннего сгорания. Давайте на основе изученных нами принципов изготовим более реалистичный механизм, который можно увидеть в автомобилях.

Блок цилиндров

Начнём с самой большой и тяжёлой детали двигателя блока цилиндров. Он представляет собой основной корпус и каркас для крепления других деталей:

Обратите внимание, что в этом блоке есть четыре больших цилиндрических отверстий, определяющих местоположение четырёх цилиндров. Вспомним, что поршень прикладывает к коленчатому валу толкающую силу только на рабочем такте, то есть лишь четверть времени. Такое неравномерное действие создаёт сильную вибрацию. Часто она приемлема для небольших двигателей, например, в газонокосилках, но в типичных автомобильных двигателях для обеспечения более равномерного распределения мощности есть несколько цилиндров. Подробнее я объясню эти концепции ближе к концу статьи.

Так как четыре цилиндра расположены в ряд, создаваемый нами двигатель называется однорядным четырёхцилиндровым. В других двигателях может использоваться другое расположение цилиндров, обычно в плоской или V-образной конфигурации.

Боковые стенки блока цилиндров усилены различными рёбрами для повышения жёсткости конструкции — корпус должен выдерживать мощь происходящих внутри цилиндров взрывов. Можно также заметить, что верхняя часть блока абсолютно плоская: вскоре мы установим на неё ещё один компонент. Если взглянуть на поперечное сечение блока, можно заметить полости вокруг цилиндров:

Эти отверстия предназначены для охлаждающей жидкости, омывающей цилиндры и отводящей от них выделяющееся при сгорании тепло. Я не буду вдаваться в подробности охлаждения двигателя, но стоит отметить, что двигатели должны работать при конкретном температурном режиме, а насос системы охлаждения, термостаты и радиаторы контролируют, чтобы двигатель не слишком охлаждался и нагревался.

Коленчатый вал

Перейдём к первой крупной детали, которая устанавливается в двигатель — к коленчатому валу:

Обратите внимание, что коленчатый вал имеет пять основных цилиндрических частей, определяющих ось его вращения; они называются коренными шейками (обозначены синим). Также у него есть четыре шатунных шейки (обозначены красным), расположенных со смещением от оси. Все шейки соединены щеками. Стоит отметить, что хотя части здесь обозначены разными цветами, на самом деле весь коленчатый вал изготавливается из одного куска металла.

Вы можете задаться вопросом, почему две внутренние шатунные шейки смещены иначе, чем две внешние. Давайте добавим поршневые блоки и посмотрим, как они двигаются на коленчатом валу:

Так как шатунные шейки расположены в разных местах, каждый из четырёх поршней может работать в своей фазе четырёхтактного цикла. Обратите внимание, что расстояние между центрами коренных шеек и шатунных шеек определяет максимальный ход вверх-вниз поршня в цилиндре.

Реальный поршень и соединённый с ним шатун обладают массой, поэтому они создают на вращающемся коленчатом валу дисбаланс массы. Для противодействия этой массе щёки имеют удлинённую форму, образуя противовес, помогающий уравнять инерциальные силы на валу.

Можно было бы предположить, что для установки коленчатого вала в блок цилиндров достаточно просто поместить его в нужное место в нижней части блока:

К сожалению, сделать так не получится. При работе двигателя поршни прикладывают к коленчатому валу большую силу; коренные шейки в таком случае касались бы корпуса, создавая сильное трение, приводящее к износу деталей. Для решения этой проблемы нужно сначала установить подшипники, сглаживающие вращение коленчатого вала:

Эти полосы металла выглядят не очень впечатляюще, но благодаря тому, что их обычно изготавливают из более мягкого металла, они изнашиваются первыми, что предотвращает повреждение самого коленчатого вала в случае их контакта. Однако чаще всего коленчатый вал вообще не касается подшипников. Обратите внимание на небольшое отверстие в подшипнике, соответствующее отверстию в блоке цилиндров:

Через это отверстие двигатель подаёт масло под давлением. Диаметр вала чуть меньше, чем внутренний диаметр подшипников, поэтому масло заполняет крошечный зазор между двумя поверхностями. Присутствие масла здесь крайне важно, поскольку оно создаёт условия для гидродинамического смазывания. Масло прилипает к подшипникам и коленчатому валу, но поскольку вал вращается, он создаёт разницу в скорости масла между двумя поверхностями. На этом изображении маленькие стрелки обозначают локальную скорость жидкости:

Разница диаметров образует клинообразную форму, создающую область повышенного давления, поднимающую шейку от подшипников. Стоит отметить, что размер зазора на изображении не соответствует масштабам, однако в реальных работающих двигателям вращающийся коленчатый вал всё равно должен полностью «плавать» на очень тонкой поверхности масла.

Можно заметить, что в одной половине подшипника есть небольшая канавка, создающая маленький резервуар масла под давлением. Кроме того, маленькие отверстия есть в коленчатом валу:

Эти каналы соединены внутри, и масло из канавки в подшипнике движется через небольшие каналы в самом коленчатом валу. Это замечательное решение позволяет распределять масло от коренных шеек к шатунным, постоянно меняющим местоположение внутри двигателя. Ниже показано одно из множества типичных расположений таких каналов и наличие масла внутри коленчатого вала и на нём:

Давайте наконец установим коленчатый вал в блок цилиндров. Мы прижмём его при помощи пяти крышек, имеющими собственные подшипники, а затем закрепим всё болтами:

Эти болты необходимо затягивать с конкретным крутящим моментом — он должен быть достаточно высоким, чтобы крышки могли удерживать коленчатый вал на месте под силой взрывов, давящих на него через шатуны поршней, но момент на болтах не должен быть слишком высоким, чтобы не деформировать круговую форму отверстия, в котором находится вал.

Поршни

Сам коленчатый вал нужен здесь для получения силы от поршней, поэтому давайте внимательно рассмотрим один из них:

Во-первых, отметим пустые пространства внутри поршня. Они нужны для снижения массы — поршень должен быть максимально лёгким для минимизации инерционных сил, создаваемых его возвратно-поступательным движением. В верхней части этого поршня, называемой головкой поршня, есть тарелкообразная полость. Другие поршни могут быть плоскими или иметь более сложные формы.

На самом деле, диаметр поршней немного меньше, чем диаметр цилиндров, иначе бы они могли заедать, что привело бы к поломке двигателя. Однако поршень в то же время должен запирать камеру сгорания, предотвращая утечку газов вокруг себя. Эта проблема решается при помощи поршневых колец, устанавливаемых в канавки в верхней части поршня:

Сами по себе поршневые кольца имеют достаточно большой зазор, но при введении в цилиндр они сжимаются. Вставленное кольцо всё равно имеет крошечный зазор:

Зазор уменьшается, когда кольцо нагревается и расширяется, но он всё равно должен сохраняться, потому что в противном случае кольцо может сломаться под давлением. Допуски размеров колец имеют очень высокую точность. Так как кольцо сжимается, оно стремится расшириться, и это давление помогает создать плотный контакт со стенками цилиндра. Это давление также усиливается газами под давлением, которые проникают в канавки поршня и ещё сильнее прижимают кольца к стенкам цилиндра.

В нашем двигателе поршни имеют три кольца; верхние два в основном помогают поддерживать давление внутри камеры сгорания. Третье выполняет иную задачу — это маслосбрасывающее кольцо. Стенки цилиндра под поршнем постоянно омываются подаваемым маслом, чтобы обеспечить плавное движение во время тактов. На такте опускания поршня маслосбрасывающее кольцо вытягивает излишний объём масла, выходящий через отверстия в кольце и канавку поршня:

Верхняя часть поршня выдерживает огромную температуру сгорания. Кольца контактируют с поршнем и стенками цилиндра, поэтому активно участвуют в рассеянии тепла. Более того, так как верхняя часть поршня находится в более близком контакте с горячими газами, она достигает более высокой температуры, чем нижние части, а потому расширяется сильнее. Для компенсации этого поршни имеют слегка сужающуюся вверх форму, чтобы при достижении рабочих температур разными участками поршня форма была более ровной.

Область поршня под кольцами называется юбкой поршня. Части юбки через тонкий слой масла контактируют во время такта со стенками цилиндра, что стабилизирует поршень. Хоть они выглядят идеально круглыми, на самом деле, юбки имеют слегка овальную форму.

Поршень соединён со своим шатуном поршневым пальцем (зелёный). Наверно, вы заметили, что у поршня есть небольшие канавки рядом с отверстием под палец. Мы помещаем туда пружинные кольца (чёрные), не позволяющие поршневому пальцу выпасть:

Сами шатуны поршня очень прочны, ведь им нужно выдерживать силу взрывов, давящую на поршень во время сгорания, и в то же время оказывать сопротивление растягивающим и толкающим силам, вызванным инерцией поршня, меняющего направление движения.

Поршни с соединяющими их шатунами и подшипниками можно вставить в цилиндры и прикрепить к коленчатому валу:

Напомню, что подшипники шатуна смазываются маслом, поступающим через отверстия в коленчатом валу. Давайте посмотрим, как вращается вся система:

Отдельного внимания заслуживает движение поршня как функция от угла кривошипа. На показанной ниже демонстрации я отметил максимум, минимум и среднюю точку расстояния, проходимого поршнем за его такт:

Как видите, когда коленчатый вал совершил поворот на 90°, то есть на половину между верхним и нижним углом, поршень переместился меньше, чем на половину общего тактового расстояния. Это простое геометрическое следствие длины сторон треугольника, образованного плечом кривошипа, шатуна и вертикальной осью.

Максимальная позиция поршня называется верхней мёртвой точкой, а самая низкая — нижней мёртвой точкой. При перемещении цилиндров вверх и вниз между этими двумя крайними точками, они меняют объёмы цилиндров:

Площадь круглого поперечного сечения A, умноженная на длину хода поршня S, определяет рабочий объём цилиндра, а рабочий объём V всего двигателя равен сумме рабочих объёмов всех его n цилиндров:

V = n · A · S

Если рабочий объём цилиндра равен половине литра, то четырёхцилиндровый двигатель будет называться двухлитровым (2.0-L) двигателем. В наиболее простом случае, чем больше рабочий объём двигателя, тем больше воздуха может вобрать двигатель и тем больше его максимальная мощность.

Продолжение следует...