Техническое устройство современного двигателя: от ДВС до гибридных установок

Автомобильный двигатель — это сложная система, превращающая энергию сгорания топлива в механическую работу, которая приводит колеса в движение. Понимание того, как функционирует техническое устройство современного двигателя, является ключевым для любого автовладельца, инженера или просто энтузиаста. Эволюция двигателей прошла путь от простых одноцилиндровых агрегатов до высокотехнологичных гибридных и полностью электрических систем, но классический двигатель внутреннего сгорания (ДВС) до сих пор остается основой мирового автопрома, постоянно совершенствуясь за счет новых технологий.

Основные виды и конструктивные особенности ДВС

Двигатели внутреннего сгорания классифицируются по множеству параметров, включая тип используемого топлива, способ смесеобразования и, что наиболее важно, по принципиальной схеме работы и расположению цилиндров. Самые распространенные виды — это бензиновые, дизельные и газовые двигатели. Их общее техническое устройство современного двигателя включает в себя несколько ключевых элементов, которые работают в строгой синхронизации.

Блок цилиндров и кривошипно-шатунный механизм

Сердце любого ДВС — это блок цилиндров. Он представляет собой жесткий литой корпус, в котором расположены рабочие цилиндры. Внутри цилиндров перемещаются поршни, которые соединены с коленчатым валом через шатуны, образуя кривошипно-шатунный механизм (КШМ). Коленчатый вал преобразует возвратно-поступательное движение поршней во вращательное, передавая крутящий момент через трансмиссию к колесам. Этот элемент должен быть исключительно прочным и выдерживать колоссальные температурные и механические нагрузки. Вокруг цилиндров расположены каналы для охлаждающей жидкости, которые отводят избыточное тепло, предотвращая перегрев. Современные блоки цилиндров часто изготавливаются из легких, но прочных алюминиевых сплавов для снижения общей массы агрегата и улучшения теплоотвода.

Головка блока цилиндров и газораспределительный механизм

Сверху блок цилиндров закрывается головкой блока цилиндров (ГБЦ), в которой размещаются впускные и выпускные клапаны, свечи зажигания (в бензиновых двигателях) или форсунки (в дизельных). Газораспределительный механизм (ГРМ) контролирует открытие и закрытие этих клапанов, обеспечивая своевременный впуск топливовоздушной смеси и выпуск отработавших газов. В большинстве современных двигателей используется верхнее расположение клапанов с одним или двумя распределительными валами (SOHC или DOHC). Применение системы DOHC (Dual Overhead Camshaft) позволяет повысить производительность двигателя за счет более точной настройки фаз газораспределения и возможности установки четырех клапанов на цилиндр. Электронное управление фазами газораспределения (например, VVT, VVT-i, Vanos) стало неотъемлемой частью, позволяющей оптимизировать крутящий момент и мощность в широком диапазоне оборотов, значительно улучшая техническое устройство современного двигателя с точки зрения эффективности.

Принципы работы: четыре такта ДВС

Классический цикл работы большинства ДВС — это четырехтактный цикл, состоящий из впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска. Этот принцип остается неизменным на протяжении десятилетий, обеспечивая стабильную работу и эффективность.

Такт впуска и сжатия

Первый такт, впуск, начинается, когда поршень движется от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ). В это время открывается впускной клапан, и цилиндр заполняется топливовоздушной смесью (в бензиновых ДВС) или чистым воздухом (в дизельных). На втором такте, сжатии, поршень движется обратно от НМТ к ВМТ при закрытых клапанах. Объем смеси сжимается, что приводит к значительному повышению ее температуры и давления. Степень сжатия является ключевым параметром, влияющим на мощность и экономичность. Чем выше степень сжатия, тем выше тепловой КПД двигателя, но это также накладывает ограничения на октановое число топлива, особенно в бензиновых агрегатах.

Рабочий ход и выпуск

Начало третьего такта, рабочего хода, знаменуется воспламенением сжатой смеси. В бензиновом двигателе искра от свечи зажигания поджигает смесь, вызывая взрывное расширение газов. В дизельном двигателе воздух сжимается до такой степени, что топливо, впрыснутое форсункой, самовоспламеняется от высокой температуры. Расширяющиеся газы толкают поршень вниз к НМТ, совершая полезную механическую работу. Это единственный такт, в котором двигатель производит энергию. Четвертый такт, выпуск, происходит, когда поршень снова движется от НМТ к ВМТ. Открывается выпускной клапан, и отработавшие газы выталкиваются из цилиндра в выпускной коллектор и далее в выхлопную систему. Этот непрерывный цикл работы обеспечивает постоянное вращение коленчатого вала, что и составляет суть, на которой базируется техническое устройство современного двигателя.

Инновации и развитие: турбонаддув и гибридные технологии

Современные требования к экологичности и экономичности заставляют инженеров постоянно искать способы повышения эффективности ДВС и внедрять новые технологии. Уменьшение рабочего объема двигателя при сохранении или увеличении мощности (даунсайзинг) стало возможным благодаря повсеместному внедрению систем наддува.

Турбонаддув и непосредственный впрыск

Турбонаддув использует энергию отработавших газов для вращения турбины, которая, в свою очередь, вращает компрессор. Компрессор нагнетает сжатый воздух в цилиндры, что позволяет сжечь больше топлива и, соответственно, получить больше мощности из меньшего объема двигателя. Это существенно улучшает техническое устройство современного двигателя в плане удельной мощности.

Непосредственный впрыск топлива (Direct Injection) — еще одна важная инновация, особенно распространенная в бензиновых двигателях. Вместо того чтобы впрыскивать топливо во впускной коллектор, форсунка распыляет его прямо в камеру сгорания под высоким давлением. Это позволяет более точно дозировать топливо, лучше контролировать процесс сгорания и охлаждать камеру сгорания, что дает возможность повысить степень сжатия и увеличить эффективность, уменьшая при этом риск детонации. Сочетание непосредственного впрыска и турбонаддува является стандартом для многих новых автомобилей, предлагая оптимальный баланс производительности и экономичности.

Гибридные силовые установки

Гибридизация — это логичный следующий шаг в эволюции. Гибридные автомобили сочетают классический ДВС с одним или несколькими электрическими двигателями. Это позволяет оптимизировать работу всей силовой установки: электрический двигатель помогает при трогании и низких скоростях, где ДВС наименее эффективен, а также рекуперирует энергию при торможении. Полные гибриды (Full Hybrid) могут двигаться исключительно на электротяге на короткие расстояния, в то время как мягкие гибриды (Mild Hybrid) используют электромотор для помощи ДВС при разгоне и для работы системы «Старт-Стоп». Плагин-гибриды (Plug-in Hybrid, PHEV) имеют увеличенную батарею и могут заряжаться от внешней сети, что позволяет совершать ежедневные поездки без использования бензина. Эти комбинированные системы представляют собой наиболее сложную и многогранную форму, которую сегодня принимает техническое устройство современного двигателя. Они предлагают решение для снижения выбросов и потребления топлива, являясь переходным звеном к полному электрическому транспорту. Разнообразие гибридных схем, от последовательных до параллельных и смешанных, позволяет автопроизводителям гибко подходить к задачам оптимизации и повышения производительности, сохраняя при этом все преимущества проверенной временем технологии внутреннего сгорания. Таким образом, несмотря на возрастающую популярность электромобилей, ДВС продолжает оставаться центром инноваций в автомобильной индустрии.