Как работает двигатель внутреннего сгорания: четыре такта

Двигатель внутреннего сгорания превращает энергию топлива во вращение. В цилиндре бензинового двигателя смесь воздуха и топлива воспламеняется; горячие газы давят на поршень, а поршень через шатун поворачивает коленчатый вал — коленвал. Вращение затем можно передать дальше, например к колёсам автомобиля.

Ниже — четырёхтактный бензиновый поршневой двигатель. Это удобный пример, но не описание каждого двигателя внутреннего сгорания: у дизеля смесь воспламеняется иначе, а устройство других двигателей может отличаться. Чтобы понять выбранный пример, достаточно проследить, что происходит в одном цилиндре за полный цикл.

Что находится внутри цилиндра

Представьте прочную полость, в которой поршень может двигаться туда и обратно. В одном конце этой полости расположены два прохода с клапанами. Через впускной клапан внутрь поступает свежая смесь, через выпускной уходят отработавшие газы. Клапан открывает проход в нужный момент и закрывает его, когда проход не нужен.

Поршень соединён с шатуном, а шатун — с коленвалом. Поэтому ход поршня не заканчивается простым толчком: соединение заставляет коленвал поворачиваться. Для нового цикла поршень должен снова пройти по цилиндру в обратную сторону. Отдельные детали выполняют разные задачи, и ни одна из них сама по себе не «делает всё движение».

ЧастьЧто она делает в этом объяснении
ЦилиндрОставляет поршню определённый путь движения и место для смеси
ПоршеньПринимает давление газов и движется внутри цилиндра
ШатунПередаёт движение между поршнем и коленвалом
КоленвалПревращает движение поршня туда-обратно во вращение
Впускной клапанОткрывает путь свежей смеси в цилиндр
Выпускной клапанОткрывает путь отработавшим газам наружу
Свеча зажиганияДаёт искру, от которой воспламеняется смесь в бензиновом двигателе

Топливо и воздух здесь нужны для получения энергии, клапаны управляют проходами, а поршень с шатуном и коленвалом передают механическое движение. Это разные функции, а не одна цепочка, в которой каждая деталь просто «толкает следующую». Например, выпускной клапан не вращает коленвал, хотя без удаления газов следующий цикл не прошёл бы как нужно.

Четыре такта: что меняется при каждом ходе

Такт — одно движение поршня от одного конца его пути до другого. Полный цикл в этом примере состоит из четырёх таких движений: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. После выпуска цилиндр готов к новому впуску.

1. Впуск: смесь попадает внутрь

Поршень движется так, что свободного места в цилиндре становится больше. Впускной клапан открыт, и через него поступает смесь воздуха и топлива. Выпускной проход в это время закрыт.

Здесь легко перепутать причину и результат. Не следует представлять, будто именно горение «втягивает» свежую смесь: в этом такте она ещё не воспламеняется. Для ребёнка полезнее описать видимое изменение: поршень отходит, внутри появляется место, а открытый проход позволяет смеси войти.

2. Сжатие: смесь занимает меньше места

Впускной клапан закрывается. Поршень идёт обратно, и объём пространства со смесью уменьшается. Смесь оказывается сжатой в цилиндре. Выпускной клапан тоже закрыт: пока ничего не нужно удалять.

Сжатие — не второй взрыв и не отдельная порция топлива. Это подготовка той смеси, которая поступила при впуске. Если прослеживать один цикл на словах, удобно каждый раз спрашивать: «Открыт ли сейчас путь наружу?» На этапе сжатия ответ — нет; иначе смесь не осталась бы в цилиндре в нужном для следующего такта состоянии.

3. Рабочий ход: газы толкают поршень

В бензиновом двигателе искра свечи воспламеняет сжатую смесь. При сгорании возникают горячие газы, давление в цилиндре растёт, и расширяющиеся газы толкают поршень. Через шатун это усилие передаётся коленвалу, который поворачивается. Такт называют рабочим, потому что здесь энергия топлива особенно наглядно превращается в механическую работу.

Важно не перепутать поршень и коленвал. Поршень не вращается вокруг оси колеса: он проходит свой путь по цилиндру. Вращается коленвал, с которым поршень связан шатуном. В четырёхтактном цикле поршень делает четыре хода, а коленвал — два оборота, не четыре. Последующие ходы поршня тоже связаны с вращением коленвала, хотя топливо не сгорает заново на каждом из них.

4. Выпуск: место освобождается для нового цикла

Открывается выпускной клапан. Поршень движется снова и выталкивает отработавшие газы из цилиндра через выпускной проход. После этого проход закрывается, и последовательность может начаться с нового впуска.

Если пропустить выпуск в объяснении, кажется, будто свежая смесь каждый раз просто добавляется к прежним газам. Это неверная картина. У четырёх тактов разные роли: впуск доставляет новую смесь, сжатие подготавливает её, рабочий ход даёт толчок, выпуск освобождает место.

Такую последовательность для бензинового двигателя описывает Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NASA). На странице используется также идеализированный цикл Отто — удобная модель для объяснения процессов. Реальный двигатель работает с потерями и трением, поэтому упрощённую модель не стоит принимать за точное описание давления и температуры в каждой точке настоящего цилиндра.

Одно сравнение, которое помогает увидеть движение

Можно взять дверь с ручкой, расположенной далеко от петель. Если толкнуть её в подходящем месте, прямое движение руки заставит дверь повернуться. Так проще понять главную перемену: толчок в одном направлении может стать вращением детали вокруг оси.

Но дверь не показывает устройство двигателя целиком. В ней нет цилиндра, сжатой смеси, клапанов и четырёх тактов. Кроме того, поршень соединён с коленвалом через шатун, а не толкает его так же, как ладонь толкает дверь. Сравнение отвечает только на вопрос «как толчок связан с поворотом», не заменяя описание механизма.

Ситуация: ребёнок говорит, что колесо автомобиля должно двигаться вверх и вниз, раз так движется поршень. Здесь можно вернуть внимание к месту превращения движения. Вверх и вниз в нашем условном изображении перемещается поршень; коленвал уже вращается. Передача к колёсам получает вращение, а не повторяет форму пути поршня. При этом «вверх» и «вниз» — лишь удобные слова для рисунка: цилиндр не обязан стоять вертикально.

Три вопроса, которые проверяют понимание

Почему смесь не поджигают сразу при впуске? В описываемом цикле после впуска предусмотрено сжатие. Сначала смесь поступает в цилиндр, затем поршень уменьшает доступное ей пространство, и только потом искра начинает рабочий ход. Вопрос помогает проверить порядок событий, не уходя в устройство конкретной машины.

Что именно выталкивает газы при выпуске? Поршень, который движется при открытом выпускном клапане. Сам открытый клапан не «выкачивает» газы: он создаёт проход, а движение поршня помогает освободить цилиндр.

Если в каждом цилиндре один рабочий ход за цикл, почему двигатель может вращаться непрерывно? Коленвал и связанные с ним детали продолжают движение между рабочими ходами; в двигателе также может быть несколько цилиндров, работающих не одновременно. Для понимания четырёх тактов не нужно разбирать их порядок: достаточно не представлять каждый ход как отдельное полное включение и выключение двигателя.

Теперь можно попросить ребёнка пересказать цикл, не повторяя названия наизусть: «Сначала цилиндр получает смесь. Что должно случиться до искры? Куда денутся газы после толчка?» Если ответы складываются в последовательность, главное устройство процесса уже видно. Если нет, вернитесь к одному переходу — например, от закрытия впускного клапана к сжатию, — а не начинайте объяснение всех деталей заново.

Если после разговора ребёнку хочется задавать больше вопросов об устройстве вещей, идеи для продолжения есть в статье «Как увлечь ребёнка наукой: что работает, а что убивает интерес». Это материал о поддержке интереса, а не инструкция по устройству двигателя.