Четырёхтактный двигатель: принцип работы простыми словами

Открываете капот автомобиля или смотрите на мотор мотоцикла и видите нагромождение металла, трубок, проводов. Трудно поверить, что внутри всё подчинено простому и очень старому принципу, который можно объяснить за пять минут: четыре такта подряд, и так сотни раз в минуту. Именно по этому принципу работает подавляющее большинство бензиновых и дизельных двигателей, и понимание этого цикла даёт ключ к пониманию того, почему мотор заводится, ровно работает, тянет или, наоборот, капризничает.

В этой статье мы разберём четырёхтактный двигатель простыми словами. Начнём с основных деталей, затем пройдёмся по каждому такту, поговорим о клапанах и распредвале, смазке, охлаждении, сравним с двухтактными моторами и ответим на вопрос, почему нужно знать устройство мотора каждому, кто за рулём или в седле.

Главная идея: превращаем тепло в движение

Бензин обладает огромным запасом энергии. Если смешать его пары с воздухом и поджечь, смесь быстро сгорает, нагревается и резко расширяется. Давление растёт, и если эта сила действует на подвижную деталь, она толкает её. В двигателе внутреннего сгорания такой деталью служит поршень, движущийся в цилиндре.

Но одного толчка недостаточно. Нужно, чтобы процесс повторялся снова и снова, а возвратно-поступательное движение поршня превращалось во вращение вала. Для этого и придуман цикл из четырёх тактов, каждый из которых имеет своё назначение. Слово «такт» здесь означает ход поршня в одну сторону — вверх или вниз. Весь цикл занимает два оборота коленчатого вала.

Из чего состоит двигатель: основные детали

Чтобы понять работу цикла, познакомимся с главными участниками.

• Цилиндр — гладкая труба, в которой движется поршень. Внутренняя поверхность тщательно обработана.
• Поршень — металлический стакан, плотно прилегающий к стенкам цилиндра благодаря поршневым кольцам. Он принимает давление газов.
• Поршневые кольца — упругие металлические кольца, уплотняющие зазор между поршнем и цилиндром и снимающие излишки масла со стенок.
• Шатун — стержень, соединяющий поршень с коленчатым валом.
• Коленчатый вал — вал с изогнутыми «коленами», который преобразует прямолинейное движение шатуна во вращение. К нему крепится маховик.
• Головка цилиндра — «крышка» цилиндра, в которой расположены камера сгорания, клапаны и свеча зажигания.
• Клапаны — впускной и выпускной, открывающие и закрывающие каналы для входа смеси и выхода газов.
• Распределительный вал — вал с кулачками, который управляет открытием клапанов.
• Свеча зажигания — искровой источник, поджигающий смесь.
• Картер — нижняя часть двигателя, в которой находятся коленчатый вал и масло.

Теперь, когда знакомы с участниками, посмотрим на спектакль.

Такт первый: впуск

Поршень находится у верхней точки цилиндра, которую называют верхней мёртвой точкой. Он начинает двигаться вниз. В этот момент открывается впускной клапан, и над поршнем создаётся разрежение. Воздух (в карбюраторных моторах — смесь воздуха с бензином, в инжекторных — воздух, а топливо впрыскивается форсункой) устремляется внутрь цилиндра.

Можно представить насос: вы тянете поршень шприца, и в него втягивается жидкость. Здесь то же самое, только вместо жидкости — горючая смесь. Когда поршень достигает нижней мёртвой точки, цилиндр заполнен свежим зарядом, и впускной клапан закрывается.

Эффективность этого такта сильно влияет на мощность. Чем лучше цилиндр наполнился, тем больше энергии можно получить. Именно поэтому конструкторы работают над формой впускных каналов, фазами открытия клапанов, а иногда добавляют наддув, нагнетающий воздух принудительно.

Такт второй: сжатие

Оба клапана закрыты, цилиндр герметичен. Поршень идёт вверх и сжимает находящуюся над ним смесь. Объём уменьшается в несколько раз, давление и температура возрастают. Отношение объёма цилиндра в нижней точке к объёму камеры сгорания в верхней точке называют степенью сжатия. У бензиновых двигателей оно обычно составляет от восьми до двенадцати к одному, у дизелей значительно выше.

Зачем сжимать? Потому что сжатая смесь горит быстрее и эффективнее, а двигатель получает больше полезной работы из каждой порции топлива. Но слишком высокая степень сжатия опасна для бензиновых моторов: смесь может воспламениться сама от нагрева, не дожидаясь искры, возникает детонация — резкий металлический стук, разрушающий поршни и клапаны. Поэтому для моторов с высоким сжатием нужен бензин с высоким октановым числом.

В самом конце такта, незадолго до достижения верхней точки, свеча даёт искру. Момент подачи искры называют углом опережения зажигания: смесь горит не мгновенно, и поджечь её нужно чуть раньше, чтобы пик давления пришёлся на нужный момент.

Такт третий: рабочий ход

Вот ради чего всё затевалось. Смесь воспламенилась, огонь распространяется по камере, температура и давление резко возрастают. Раскалённые газы с огромной силой давят на поршень, и он идёт вниз. Через шатун эта сила передаётся на коленчатый вал и раскручивает его.

Это единственный такт из четырёх, в котором двигатель совершает полезную работу. Остальные три — подготовительные: двигатель затрачивает энергию, накопленную маховиком, чтобы их выполнить. Поэтому маховик так важен: он, будучи массивным, запасает энергию рабочего хода и отдаёт её во время остальных тактов, обеспечивая вращение между «выстрелами».

Чем больше цилиндров в двигателе, тем чаще происходят рабочие ходы и тем ровнее вращение. В одноцилиндровом моторе рабочий ход случается раз в два оборота вала, и работа его неравномерна. В четырёхцилиндровом рабочие ходы следуют один за другим, и мотор работает плавно, почти без вибраций.

Такт четвёртый: выпуск

Рабочий ход закончился, поршень внизу, в цилиндре находятся отработавшие газы. Открывается выпускной клапан, и поршень идёт вверх, выталкивая их в выпускной коллектор, а оттуда в выхлопную систему. Когда поршень достигает верхней точки, выпускной клапан закрывается, а впускной открывается — цикл начинается заново.

В момент перехода от выпуска к впуску на короткое время открыты оба клапана. Это явление называют перекрытием клапанов. Оно нужно, чтобы использовать инерцию выходящих газов для лучшего наполнения цилиндра свежей смесью. Конструкторы тщательно подбирают величину перекрытия: большое перекрытие улучшает работу на высоких оборотах, но ухудшает холостой ход и тягу на низах.

Сводная таблица тактов

Клапаны и распредвал: дирижёры процесса

Точно и вовремя открывать и закрывать клапаны — задача распределительного вала. Он вращается вдвое медленнее коленчатого, потому что за полный цикл каждый клапан должен сработать один раз, а вал делает два оборота. Кулачки вала нажимают на клапаны, открывая их, а пружины возвращают клапаны на место.

Привод распредвала от коленчатого осуществляется ремнём, цепью или шестернями. Ремень и цепь должны быть правильно натянуты, а метки установлены, иначе фазы сместятся, и мотор потеряет мощность, а в худшем случае клапаны встретятся с поршнями.

Схемы расположения распредвала

• Нижнее расположение (OHV) — вал находится в блоке, клапаны управляются штангами и коромыслами. Простая и компактная схема, характерная для старых и тяжёлых моторов.
• Верхнее расположение с одним валом (SOHC) — вал над головкой цилиндра, управляет клапанами непосредственно или через коромысла.
• Два верхних вала (DOHC) — один для впускных, другой для выпускных клапанов. Позволяет добиться большей мощности и высоких оборотов.

Кроме того, на многих современных моторах применяются системы изменения фаз газораспределения. Они подстраивают момент открытия клапанов под режим работы, улучшая тягу на низких оборотах и мощность на высоких.

Смазка: жизнь двигателя

В двигателе множество трущихся деталей: поршни о цилиндры, шейки коленчатого вала о подшипники, кулачки о толкатели. Без смазки они бы быстро износились и заклинили. Масло образует тонкую плёнку между поверхностями, снижает трение, отводит тепло, уносит продукты износа и защищает от коррозии.

Масло хранится в картере (мокрый картер) или в отдельном баке (сухой картер, применяется на спортивных и внедорожных моторах). Масляный насос забирает его и подаёт под давлением через фильтр к подшипникам, распредвалу и другим узлам. Некоторые детали, например стенки цилиндров, смазываются разбрызгиванием.

Правильное масло и своевременная его замена — основа долговечности. Старое масло теряет свойства, загрязняется и перестаёт защищать. Не менее важно следить за уровнем: и недолив, и сильный перелив вредны для мотора.

Охлаждение: как мотор не расплавится

При сгорании выделяется огромное количество тепла. Часть его превращается в полезную работу, часть уходит с выхлопом, а оставшаяся нагревает детали двигателя. Без охлаждения мотор перегреется за считанные минуты.

Существует два основных способа отвода тепла. Воздушное охлаждение использует оребрённые цилиндры и головки, обдуваемые встречным потоком воздуха или вентилятором. Это просто и надёжно, но хуже контролирует температуру и менее эффективно в пробках. Жидкостное охлаждение работает с помощью циркуляции охлаждающей жидкости через рубашку вокруг цилиндров и радиатор. Оно стабильнее поддерживает температуру, позволяет делать моторы более мощными и экологичными, но усложняет конструкцию.

Зажигание и подача топлива

Два других важных участка работы мотора — искра и топливо. Система зажигания вырабатывает высокое напряжение и подаёт его на свечу в нужный момент. Современные электронные системы отслеживают положение коленчатого вала и корректируют угол опережения в зависимости от оборотов, нагрузки и температуры.

Топливо подаётся либо карбюратором, где смесь образуется за счёт разрежения во впускном тракте, либо системой впрыска, в которой форсунки под давлением распыляют бензин. Инжектор точнее дозирует топливо, экономичнее, лучше запускается на морозе и меньше загрязняет воздух. Карбюратор проще и ремонтопригоднее, но требует регулировки и чувствительнее к условиям.

Четыре такта против двух

В двухтактном двигателе тот же цикл умещается в один оборот коленчатого вала: рабочий ход происходит при каждом обороте. Впуск и выпуск происходят в нижней части хода поршня через окна в стенке цилиндра, а сжатие и рабочий ход — в верхней. Смазка двухтактных моторов часто осуществляется маслом, добавляемым в топливо.

Преимущества двухтактников — простота конструкции, меньшая масса и высокая удельная мощность. Недостатки — повышенный расход топлива и масла, дымный выхлоп, более высокая токсичность и меньший ресурс. Четырёхтактные моторы тяжелее и сложнее, но экономичнее, чище, долговечнее и спокойнее в работе, поэтому именно они стали стандартом для автомобилей и большинства мотоциклов.

Многоцилиндровые схемы: зачем нужно больше

Один цилиндр — простая и лёгкая схема, часто встречающаяся на небольших мотоциклах. Но с увеличением числа цилиндров мотор получается более плавным и мощным. Рассмотрим популярные варианты:

1. Одноцилиндровый. Лёгкий, простой, с живой отдачей, но с заметными вибрациями.
2. Двухцилиндровый рядный или V-образный. Хороший баланс веса, мощности и характера. V-образная схема даёт узнаваемый звук.
3. Оппозитный. Цилиндры расположены друг напротив друга, что снижает вибрации и центр тяжести.
4. Трёхцилиндровый. Компромисс между двух- и четырёхцилиндровым: тяга и динамика.
5. Четырёхцилиндровый рядный. Высокие обороты, ровная работа, мощность — классика спортивных мотоциклов и автомобилей.
6. Шести- и восьмицилиндровые. Мощь и плавность, но сложность и вес.

Почему мотор не всегда работает идеально

Зная принцип работы, легче понять причины неисправностей. Если нет искры или топлива, не будет рабочего хода. Если клапаны плохо закрываются, исчезает герметичность в такте сжатия, и мотор теряет мощность. Изношенные кольца пропускают газы в картер и расходуют масло. Неправильно установленные фазы газораспределения приводят к потере тяги и в худшем случае к поломке.

Основные причины, по которым мотор может не заводиться или плохо работать:

• отсутствие компрессии из-за износа колец, цилиндров или негерметичных клапанов;
• неисправность зажигания: свечи, катушки, провода, датчики;
• проблемы с подачей топлива: засорённый фильтр, неработающий насос, грязный карбюратор или форсунки;
• подсосы воздуха, нарушающие состав смеси;
• нарушение фаз газораспределения из-за растянутой цепи или ремня.

Понимание этих связей помогает быстро найти причину, не меняя детали наугад.

Итог: простая идея, сложная реализация

Четырёхтактный двигатель — гениальное по простоте решение: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Четыре движения поршня, два оборота вала, одна искра. За этим стоит огромная инженерная работа: подбор материалов, точность изготовления, оптимизация фаз, систем смазки и охлаждения, электроники.

Если вы владеете автомобилем или мотоциклом, знание этого принципа поможет лучше понимать, как ведёт себя ваша техника, вовремя замечать тревожные признаки и грамотно обслуживать её. А если вы просто любознательны, надеемся, что теперь, когда вы услышите ровный рокот мотора, вы будете представлять, как внутри размеренно поднимаются и опускаются поршни, подчиняясь четырём тактам.