Як працює двигун

01

Поштовх, що стає обертанням

Перед вами один циліндр автомобільного двигуна в розрізі. Усередині труби вгору-вниз ковзає поршень. Над ним розташовані два клапани і, залежно від палива, свічка запалювання або форсунка. Під ним шатун з’єднує поршень із колінчастим валом — валом, який зрештою обертає колеса.

Уся ідея вміщається в одне речення: спалити паливо в закритому просторі, дати гарячому газу штовхнути поршень униз і перетворити цей поштовх на обертання. Решта двигуна існує лише для того, щоб повторювати це чітко й без збоїв, раз за разом.

Це повторюється циклом із чотирьох кроків, які називають тактами. Циферблат у кутку показує, на якому етапі циклу зараз двигун. Модель працює сповільнено: справжній автомобільний двигун на холостому ходу робить близько 800 обертів за хвилину, а крутитися може у вісім разів швидше.

Перетягуйте модель, щоб оглянути її з усіх боків, і прокручуйте над нею, щоб наблизити. Поки ви читаєте, камера рухається слідом за текстом.

02

Чотири такти

Такт — це один хід поршня від верху циліндра до низу або назад. Верхнє положення називають верхньою мертвою точкою (ВМТ), а нижнє — нижньою мертвою точкою (НМТ). Мертвою, бо поршень на мить зупиняється там, перш ніж змінити напрямок.

1. Впуск

   Поршень іде вниз, впускний клапан відкритий, і простір, що збільшується, втягує свіжий заряд. Бензиновий двигун втягує повітря, уже змішане з паливом. Дизель — чисте повітря.

   Показати впуск

2. Стиск

   Обидва клапани закриті, поршень піднімається й стискає заряд до десятої частини об’єму або ще сильніше. Під час стискання газ нагрівається, тож заряд розігрівається до кількох сотень градусів ще до того, як щось загорілося.

   Показати стиск

3. Робочий хід

   Біля верхньої точки заряд підпалюють. Бензиновий двигун запалює його іскрою. Дизель упорскує паливо в повітря, яке вже достатньо гаряче, щоб його запалити. Газ, що горить, розширюється і з силою штовхає поршень униз. Це єдиний такт, який дає двигуну силу.

   Показати робочий хід

4. Випуск

   Випускний клапан відкривається, і поршень, піднімаючись, виштовхує відпрацьовані гази. Циліндр знову готовий почати все спочатку.

   Показати випуск

Стежте за газом: свіжий заряд заходить прохолодним, розігрівається під час стискання, спалахує помаранчевим, коли горить, і виходить сірим.

03

Два оберти на кожен поштовх

Кожен такт займає пів оберту колінчастого вала, тож чотири такти — це два повні оберти: 720 градусів. Саме тому циферблат рахує до 720, а не до 360.

За цикл поршень двічі доходить до верху: на 0°, між випуском і впуском, і на 360°, коли підпалюють заряд. Сам поршень ці два моменти не розрізняє. Який із них який, «знають» лише клапани та іскра.

Штовхає лише один такт із чотирьох. Щоб втягнути повітря, стиснути його й виштовхнути відпрацьовані гази, потрібно витратити роботу, тож на ці три такти двигунові потрібна підтримка. Частину її дає інерція рухомих деталей, а решту — маховик: важкий диск на кінці колінчастого вала, який накопичує енергію під час робочого ходу й віддає її протягом інших трьох тактів.

Ось чому одноциліндровий двигун працює ривками: один сильний поштовх кожні два оберти, а між ними нічого. У газонокосарках це згладжують важким маховиком. В автомобілях додають циліндри, і до цього ми ще дійдемо.

04

Клапани й кулачки

Кожен клапан — це заглушка у формі гриба. Пружина притискає його до сідла, а відкриває кулачок — яйцеподібний виступ на валу, що обертається. Коли виступ набігає, він тисне на клапан і опускає його в циліндр. Коли минає, пружина знову закриває клапан.

Кожен клапан відкривається раз за цикл, а цикл — це два оберти колінчастого вала. Тому розподільний вал обертається вдвічі повільніше за колінчастий, а приводить його ремінь або ланцюг. Погляньте на кулачки: один оберт на кожні два оберти колінчастого вала.

Якби клапани відкривалися й закривалися точно в мертвих точках, двигун «дихав» би погано. Газ має масу, і йому потрібен час, щоб розігнатися, тому час відкриття клапанів розтягують. Випускний клапан відкривається рано, задовго до нижньої мертвої точки, щоб газ, який ще під тиском, вийшов сам. Впускний клапан закривається пізно, значно пізніше нижньої мертвої точки, бо повітря ще вривається всередину, навіть коли поршень уже рушає вгору.

Біля верхньої точки, між випуском і впуском, обидва клапани на мить відкриті одночасно. Це перекриття клапанів: відпрацьовані гази, виходячи, допомагають втягнути за собою свіжий заряд.

05

Як спалахує заряд

Згоряння відбувається не миттєво. У бензиновому двигуні полум’я виникає біля свічки запалювання й поширюється камерою за кілька тисячних секунди, а це помітна частка оберту. Найкорисніший поштовх — одразу після верхньої мертвої точки, тож іскра має проскочити заздалегідь: приблизно за 10–40 градусів до верхньої мертвої точки.

Наскільки заздалегідь, залежить від обертів. Полум’ю потрібен приблизно той самий час за будь-якого режиму, але на високих обертах колінчастий вал за цей час повертається на більше градусів, тому зі зростанням обертів випередження запалювання збільшують. Запалиш зарано, і тиск боротиметься з поршнем, що ще піднімається. Запалиш запізно, і він доганятиме поршень, який уже йде вниз.

У дизеля немає свічки запалювання. Від стиску повітря розігрівається приблизно до 700 °C і вище, і незадовго до верхньої мертвої точки форсунка впорскує в нього паливо. Паливу потрібна мить, щоб випаруватися й зайнятися, — це коротка затримка займання, — а потім воно горить приблизно з тією ж швидкістю, з якою надходить. Згоряння розтягується на весь час упорскування, а не проноситься камерою одним фронтом полум’я.

Графік показує результат. У бензиновому двигуні тиск стрімко зростає до гострого піку одразу після верхньої точки. Дизель починає з набагато сильнішого стиску, а його горіння підтримує тиск, поки поршень рушає вниз.

06

Від поштовху до обертання

Шатун з’єднує поршень із шатунною шийкою — зміщеною від осі частиною колінчастого вала. Коли шийка описує коло, шатун перетворює прямолінійний поштовх поршня на обертання, так само як ваша нога обертає педаль велосипеда.

Поршень рухається не за плавною синусоїдою. Коли шийка відходить убік, шатун нахиляється й тягне поршень нижче, ніж опустилася сама шийка. На 90 градусах повороту колінчастого вала поршень уже пройшов більше половини шляху: близько 50 мм зі своїх 86. Тож біля верхньої мертвої точки він рухається швидше, ніж біля нижньої, а найбільшої швидкості досягає ще до того, як колінчастий вал повернеться на 90 градусів.

На 3000 об/хв ця найбільша швидкість становить близько 14 м/с, а двічі за кожен оберт поршень завмирає й змінює напрямок. Важкі противаги навпроти шатунної шийки врівноважують обертову масу шийки та шатуна, щоб двигун не розтрусив сам себе.

07

Наскільки сильно стискати

Ступінь стиску порівнює об’єм над поршнем у нижній мертвій точці з об’ємом, що залишається у верхній мертвій точці. Якщо ступінь стиску 10 : 1, заряд займає лише десяту частину початкового об’єму.

Що вищий ступінь стиску, то сильніше може розширитися газ, що горить, і то більше його тепла перетворюється на поштовх: більше роботи з того самого палива. То чому б не стискати ще сильніше? Бензиновий двигун стискає паливо й повітря разом, а від стиску вони нагріваються. Переборщиш, і окремі ділянки суміші спалахнуть самі, ще до того, як дійде полум’я. Це різка детонація, від якої можуть тріснути поршні. Тому в бензинових двигунах ступінь стиску приблизно від 9 до 13 : 1.

Дизель стискає лише повітря, тож передчасно спалахнути нічому, а тепло йому потрібне: повітря має бути достатньо гарячим, щоб запалити паливо. Ступінь стиску в дизелів приблизно від 14 до 22 : 1.

Тут модель зупиняється у верхній мертвій точці, щоб ви бачили, як зменшується зазор над поршнем, коли ви збільшуєте ступінь стиску.

08

Бензин чи дизель

Обидва двигуни працюють за тими самими чотирма тактами. Різниця в тому, як потрапляє паливо і що його запалює.

Дизель ефективніший з трьох причин. Він сильніше стискає, тож кожна крапля палива виконує більше роботи. Він працює на бідній суміші, де повітря значно більше, ніж потрібно паливу. І в ньому немає дросельної заслінки, тож він не витрачає зусиль, протягуючи повітря повз напівзакриту заслінку.

Бензиновий двигун крутиться на вищих обертах і працює плавніше. Його суміш готова згоріти тієї ж миті, коли проскакує іскра, а полум’я поширюється швидко. Нижчий тиск дозволяє ставити легші деталі, яким легко обертатися швидко. Дизель чекає, поки паливо змішається й займеться, а коли це стається, тиск різко підскакує. Звідси його впізнаваний стукіт.

Показати бензин Показати дизель

Гібрид поєднує такий двигун з електромотором, який йому допомагає, дає змогу вимикати двигун, коли він не потрібен, і повертає енергію під час гальмування. Цього розділу в поясненні поки немає.

09

Чотири циліндри

Один циліндр дає один поштовх на два оберти. Чотири циліндри на спільному колінчастому валу, кожен на своєму етапі циклу, дають поштовх кожні пів оберту: робочий хід кожні 180 градусів замість кожних 720. Зусилля на колінчастому валу стає набагато рівномірнішим, тож маховик може бути значно легшим.

Шатунні шийки розташовані так, що поршні 1 і 4 рухаються разом, а 2 і 3 теж разом, але в протилежному напрямку. Коли зовнішня пара піднімається, внутрішня опускається, тож їхні основні сили, що діють угору й униз, взаємно гасяться.

Pistons that move together are never on the same stroke. When piston 1 fires, piston 4 is at the top too, finishing its exhaust. The cylinders fire in the order 1-3-4-2, which alternates between the ends of the crankshaft and spreads the pulses evenly along it.

Один циліндр Рядна четвірка