Типы топлива и способы воспламенения Бензиновые двигатели используют бензиновоздушную смесь, воспламеняющуюся от электрической искры на свече зажигания. Дизельные двигатели используют дизельное топливо, при этом смесь самовоспламеняется при высоком давлении, поэтому свечи зажигания не требуются. Газовые двигатели с принудительным зажиганием работают на метане или пропан–бутановой смеси, причем газ смешивается с воздухом в специальном смесителе перед подачей в цилиндры. В эксплуатации газовые двигатели по сути аналогичны бензиновым двигателям.
Тепловое расширение приводит в движение поршни и вращает коленчатый вал Во время сгорания воздух в цилиндре нагревается и расширяется, оказывая давление на поршень и толкая его вниз. Шатун передает это усилие коленчатому валу, преобразуя прямолинейное движение во вращение. Как и в случае с ногой велосипедиста, колено движется вверх и вниз при вращении педали (коленчатого вала).
Преобладание внутреннего сгорания и его низкая эффективность Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее распространенными автомобильными силовыми установками. Из каждых 10 литров сжигаемого топлива только около 2 литров выполняют полезную работу, в то время как остальное расходуется впустую, что обеспечивает КПД чуть более 20 процентов. Несмотря на этот существенный недостаток, до сих пор не было разработано более эффективного теплового двигателя, который мог бы сравниться с ними по долговечности и надежности.
Необходимая геометрия —ВМТ, НМТ, Ход поршня, объемы, степень сжатия Поршень перемещается между верхней мертвой точкой (ВМТ) и нижней мертвой точкой (НМТ), а ход поршня определяется расстоянием между ними. Камера сгорания (сжатия) - это пространство, оставшееся между головкой цилиндра и поршнем при ВМТ. Рабочий объем цилиндра находится между ВМТ и НМТ, а рабочий объем двигателя равен сумме рабочих объемов всех цилиндров. Степень сжатия - это то, во сколько раз рабочий объем превышает объем камеры сгорания, а такт - это процесс, завершаемый за один ход поршня.
Цикл работы четырехтактного бензинового двигателя Впуск: при движении поршня вниз разрежение всасывает топливовоздушную смесь через открытый впускной клапан до тех пор, пока она не станет постоянной. Сжатие: поршень поднимается при закрытых обоих клапанах, сжимая и нагревая смесь, в то время как молекулы кислорода прижимаются ближе к молекулам топлива, создавая благоприятные условия для воспламенения. В конце сжатия искра проскакивает через зазор свечи зажигания и воспламеняет заправленную смесь. Мощность (расширение): горящая смесь расширяется, давление толкает поршень вниз и вращает коленчатый вал, высвобождая полезную энергию. Выхлоп: поршень поднимается и выбрасывает газы сгорания через открытый выпускной клапан, затем цикл повторяется.
Дизельный цикл —Воспламенение от сжатия без свечей зажигания Во время впуска в цилиндр поступает только чистый воздух. Сжатие настолько сильное, что воздух нагревается более чем до 600°C. В конце сжатия впрыскивается часть топлива; в горячем воздухе оно немедленно самовоспламеняется и сгорает, образуя такт двигателя. После такта подачи топлива следует такт выпуска; поскольку топливо самовоспламеняется, свечи зажигания в дизельных двигателях не используются.
Несколько цилиндров для плавной и равномерной работы В четырехтактном двигателе полезная энергия выделяется только во время рабочего такта; вспомогательные такты расходуют энергию на выпуск, впуск и сжатие. Одноцилиндровый двигатель производит один сильный толчок, затем три такта замедления, вызывая значительную вибрацию. Четырехцилиндровая компоновка распределяет циклы по фазам, так что рабочий ход одного цилиндра управляет вспомогательными ходами трех других, повышая плавность хода. В легковых автомобилях обычно используются четыре цилиндра для обеспечения более равномерного хода.
Механический сердечник—кривошипно–шатунный механизм и клапанная передача Кривошипно–шатунный механизм преобразует прямолинейное движение поршня во вращение коленчатого вала. Поршень снабжен уплотнительными кольцами для защиты от попадания газа; цапфа соединяет его с шатуном, нижний конец которого крепится болтами к шейке шатуна коленчатого вала; звездочка, шкив или шестерня спереди приводит в движение распределительный вал, а маховик установлен сзади. Распределительные валы клапанного механизма вращаются синхронно с коленчатым валом; каждый кулачок управляет отдельным клапаном. Лепесток кулачка прижимает подъемник и клапан к пружине, чтобы открыть их, а когда лепесток проходит, пружина закрывает клапан. Периодически открывая и закрывая клапаны, они управляют газовыми путями для своевременного впуска и выпуска.
Жидкостное охлаждение Регулирует рабочую температуру При сгорании происходит интенсивный нагрев цилиндров и поршней, поэтому используется система жидкостного охлаждения с рубашками блока цилиндров и головки блока цилиндров, радиатором, насосом охлаждающей жидкости, термостатом, вентилятором и расширительным бачком. Охлаждающая жидкость циркулирует, омывая стенки цилиндра и передавая тепло к тонким трубкам радиатора, где охлаждается перед возвратом. Крышка расширительного бачка поддерживает избыточное давление, поэтому антифриз не закипает даже при температуре выше 110°C. Термостат сначала направляет поток по малому контуру для быстрого прогрева, а затем открывает большой контур через радиатор, автоматически переключаясь для поддержания рабочей температуры двигателя.
Смазка—Контроль расхода и уровня масла Система смазки сводит к минимуму трение между движущимися деталями с помощью специальных моторных масел: минеральных, полусинтетических и синтетических, причем синтетические масла обладают наилучшими характеристиками, но более высокой стоимостью. По классификации SAE масла бывают зимними, летними или всесезонными (например, SAE 10W‑40); чем ниже значение W, тем легче запускается двигатель в холодном состоянии, а чем выше второе значение, тем лучше защита от перегрева. Масло заливается через заливную горловину в картер, всасывается масляным насосом, фильтруется и подается под давлением на коленчатый вал, распределительный вал и клапаны, затем разбрызгивается для смазки других деталей. Уровень масла проверяется щупом на остановленном двигателе и должен находиться строго между минимальной и максимальной отметками; для доливки следует использовать то же масло, а для замены - в соответствии с графиком технического обслуживания.
Подача топлива и электронный впрыск Топливная система подает топливовоздушный заряд в цилиндры, используя бензин марок АИ–92, АИ‑95, АИ‑98 или дизельное топливо. В бензиновых двигателях могут использоваться карбюраторы или, как в современной практике, электронный впрыск, который обеспечивает более высокую мощность и лучшие характеристики двигателя при одновременном улучшении экологических показателей. Система впрыска включает в себя топливный бак, насос высокого давления, фильтр тонкой очистки, топливную рампу, форсунки и датчик давления с многочисленными датчиками, передающими данные в электронный блок управления. Электронный блок управления рассчитывает оптимальную дозу топлива и управляет форсунками, что делает двигатели с впрыском топлива более экономичными и стабильными, снижает токсичность выхлопных газов и повышает надежность; даже при отказе датчика двигатель продолжает работать, чтобы водитель мог приступить к ремонту.