Запуск, на примере одного цилиндра:
- Стартер крутит коленвал за венец, расположенный на маховике (или ведомом диске)
- Коленвал приводит в движение поршни
- Масляный насос создаёт давление масла
- Один из цилиндров попадает на такт впуска
- Коленвал через привод ГРМ приводит в движение распредвалы
- Поршень идёт вниз – в цилиндре создаётся разряжение
- Впускной распредвал кулачком нажимает на коромысло
- Коромысло опирается на гидрокомпенсатор и нажимает на клапан, опуская его
- Воздух всасывается в цилиндр
- Поршень проходит нижнюю мертвую точку и начинается такт сжатия
- Кулачок распредвала проходит горб и клапан закрывается за счёт действия возвратных пружин
- Поршень идёт к верхней мертвой точке, сжимая воздух
- Распредвал нажимает на толкатель топливного насоса высокого давления
- В форсунках создаётся высокое давление
- Блок управления двигателем подаёт сигнал форсунке на открытие и топливо попадает в камеру сгорания
- Меньше, чем через секунду Блок управления двигателем даёт команду катушке зажигания сформировать высокий заряд и передать его на свечу
- Свеча создаёт искру и сжатия топливовоздушная смесь воспламеняется
- Поршень проходит ВМТ и максимум энергии выделяется на его движение вниз
- Помощь стартера в этом вращении больше не нужна, и он отключается
- Энергии хватает, чтобы провернуться ещё по инерции
- За это время, когда поршень идёт наверх выпускной распредвал нажимает на выпускной клапан и открывается выпускной канал
- Отработавшие газы выталкиваются;
- Процесс подхватывают остальные цилиндры и двигатель запускается;
- В работу включается генератор, чтобы обеспечить стабильным напряжением всю бортовую сеть и восполнить потраченный заряд на запуск в АКБ;
- Для быстрого прогрева катализаторов в работу включается вторичная воздушная система – она добавляет воздуха в выхлоп и провоцирует там сильное сгорание, которое быстро доводит катализаторы до рабочей температуры после чего выключается;
Двигатель работает:
- Каждый цилиндр делает по 4 такта беспрерывно;
- Блок цилиндров отвечает за сжатие и передачу крутящего момента;
- Головки блока цилиндров отвечают за своевременное максимальное наполнение цилиндров и выпуск выхлопных газов;
- Вентиляция картерных газов снижает давление в картере, отделяет масло и пары бензина от газа;
- Коленвал крутит маховик, к которому прикручен гидротрансформатор или пакет сцеплений, которые в свою очередь передают крутящий момент коробке передач;
- Так же коленвал крутит передний шкив, который приводит в движение навесное оборудование;
- А ещё на коленвалу есть звёзды, которые приводят в движение масляный насос и другое навесное оборудование.
Все системы помогают двигателю:
- Дроссельная заслонка дозирует количество воздуха;
- Турбонаддув создаёт накачивает больше воздуха во впуск;
- Система впуска равномерно распределяет воздух по цилиндрам, правильно завихряя поток;
- Топливная система поддерживает оптимальное соотношение бензина и воздуха;
- Система зажигания вовремя и полноценно поджигает топливо в камерах сгорания;
- Контроль детонации следит за преждевременным и неконтролируемым сгоранием;
- Выхлопная система своей формой создаёт правильный поток для раскрутки вала турбонагнетателя, дожигает остатки топлива в катализаторе, создаёт приятный звук работы двигателя;
- Масляная система смазывает и промывает все пары трения, отводит тепло, предотвращает контакт металлов;
- Система охлаждения отводит тепло от блока цилиндров и головок и рассеивает его в атмосфере и в салоне автомобиля;
Под полной нагрузкой и на высоких оборотах:
- Дроссель открыт полностью, в двигатель попадает максимум воздуха;
- Наддув максимальный;
- Эффективность интеркулера за счёт разницы температур максимальна;
- Вихревые заслонки и регулировки длины тракта открыты на максимум, чтобы не препятствовать потоку;
- Насос высокого давления создаёт максимально возможное давление в рампе форсунок;
- Форсунки вливают максимально возможное количество топлива;
- Температура в камерах сгорания удерживается на максимально допустимых значениях (около 900-950 градусов) за счёт регулировки соотношения топливо-воздушной смеси;
- Контроль детонации особенно насторожен – при лишнем шуме он будет понижать наддув и УОЗ;
- Выхлопная система раскаляется до красна. Её задача, в том числе, погасить пламя и снизить температуру выхлопа;
- У турбокомпрессора вастгейт открыт на максимум, чтобы снизить сопротивление в выпуске. При этом давления и так хватает, чтобы обеспечить нужные обороты турбинного колеса и вала;
- Масляная система поддерживает максимальное давление в системе для обеспечения максимальной прочности масляного клина. При этом производительность насоса максимальна, чтобы масло не успевало сгорать, а отвод тепла был максимальным. При этом, естественно, масляный термостат открыт и масляный радиатор рассеивает тепло в атмосферу;
- Система охлаждения гоняет антифриз по большому кругу с максимальной скоростью.
Все эти процессы идут одновременно. Каждая система выполняет свою функцию в нужное время, с нужной производительностью, с минимумом энергетических затрат. И в итоге получается вот что:
На этой картинке представлен мощностной график двигателя. По горизонтальной оси обороты двигателя, а по вертикальной – крутящий момент в Ньютонах на метр, и мощность в киловаттах.
Почему она кривая, а не прямая? Да как раз из-за наполняемости цилиндров и затыках в выхлопной системе. Потому что не получается в ДВС достичь сразу 100% наполняемости на холостом ходу и 100% продуваемости на оборотах, близких к отсечке, как распредвалы не поворачивай.
С одной стороны, это не очень-то и нужно, а с другой – раздражает запоздалая реакция на педаль газа.
Вот и всё.
В заключение хочу сказать, что на данный момент эволюция ДВС зашла в тупик. Из всех систем выжат максимум и доработки дают минимальный эффект. Сложнее всего справляться с растущими требованиями по экологичности, не теряя в экономичности и мощности. Сейчас даже романтика V12 подходит к концу – их вытесняют V8, а то и V6. А в некоторых случаях даже рядные четвёрки.
Недавно, прокатившись на Porsche Taycan, я прочувствовал начало новой эры на себе и окончательно убедился, что будущее за двигателями другого типа. Не знаю, будут это электромоторы или умудрятся развить водородные технологии, но наши внуки будут жить в совсем другом мире.