Двигатель внутреннего сгорания: устройство, 4 такта и кто его изобрёл

17 октября 2026 · M2 Holo Lab · 10 минут чтения

Двигатель внутреннего сгорания, или ДВС, превращает энергию топлива в движение: топливо сгорает прямо внутри цилиндра, а горячие газы толкают поршень. Ниже — как устроен ДВС, что происходит в каждом из четырёх тактов, что такое ВМТ, НМТ и степень сжатия, чем дизель отличается от бензинового мотора и кто изобрёл двигатель. Всё на 3D-модели одноцилиндрового двигателя.

Что такое двигатель внутреннего сгорания

Тепловой двигатель берёт энергию от сгорания топлива и превращает её в механическую работу. У паровой машины топливо горит снаружи, в топке, и греет воду в котле — это двигатель внешнего сгорания. У ДВС топливо сгорает внутри самого двигателя, а рабочим телом служат сами продукты сгорания.

Внутреннего сгорания бывают и реактивные двигатели с газовыми турбинами: там топливо горит непрерывно, ровным пламенем. Но обычно под ДВС понимают поршневой двигатель, где смесь вспыхивает порциями, в цилиндрах. Самый распространённый вид — четырёхтактный бензиновый двигатель с искровым зажиганием. О нём дальше и речь.

Устройство ДВС

Главная часть двигателя — цилиндр, в котором ходит поршень. Сверху цилиндр закрыт головкой с клапанами и свечой, снизу поршень через шатун соединён с коленчатым валом.

• Цилиндр — гладкая труба в блоке двигателя. В ней горит смесь и ходит поршень.
• Поршень принимает давление газов. Поршневые кольца на нём не дают газам прорваться вниз, в картер.
• Шатун шарнирно соединяет поршень с коленчатым валом.
• Коленчатый вал превращает движение поршня вверх-вниз во вращение. Его колено — кривошип — описывает круг, а шатун качается.
• Маховик — тяжёлый диск на коленвале. Он запасает энергию рабочего хода и по инерции проворачивает вал в остальных тактах.
• Впускной клапан пускает в цилиндр горючую смесь, выпускной выпускает отработанные газы.
• Распределительный вал кулачками вовремя открывает клапаны, а пружины их закрывают.
• Свеча зажигания в нужный момент даёт искру и поджигает сжатую смесь.

В школьном курсе детали собирают в два механизма. Кривошипно-шатунный механизм (КШМ) — поршень, шатун, коленвал и маховик. Газораспределительный механизм (ГРМ) — клапаны, пружины и распредвал. Кроме них у двигателя есть системы: питания топливом, зажигания, смазки, охлаждения и пуска.

Четыре такта двигателя

Ход поршня от одного крайнего положения до другого называют тактом. Четырёхтактный двигатель проходит весь цикл за четыре хода поршня, то есть за два оборота коленчатого вала — 720°.

1. Впуск. Поршень идёт вниз, впускной клапан открыт. В цилиндр поступает смесь воздуха и паров бензина.
2. Сжатие. Оба клапана закрыты, поршень идёт вверх и сжимает смесь. Она нагревается, а в конце такта её поджигает искра.
3. Рабочий ход. Смесь сгорает, давление газов резко растёт и толкает поршень вниз. Клапаны закрыты. Только в этом такте двигатель совершает полезную работу.
4. Выпуск. Поршень идёт вверх, выпускной клапан открыт. Отработанные газы выходят в выпускной коллектор, и цикл начинается снова.

Распредвал крутится вдвое медленнее коленвала: за два оборота коленвала он делает один и открывает каждый клапан один раз. Три такта из четырёх двигатель проходит за счёт инерции маховика. Поэтому в моторах обычно несколько цилиндров: их рабочие ходы идут по очереди, и вал вращается ровнее.

ВМТ, НМТ, рабочий объём и степень сжатия

• Верхняя мёртвая точка (ВМТ) — самое высокое положение поршня, нижняя (НМТ) — самое низкое. В этих точках поршень на мгновение останавливается и меняет направление.
• Ход поршня S — расстояние между ВМТ и НМТ. За один оборот коленвала поршень проходит его дважды.
• Камера сгорания V_c — объём, который остаётся над поршнем в ВМТ.
• Рабочий объём цилиндра V_h — объём, который поршень проходит от ВМТ до НМТ: V_h = π · D² / 4 · S, где D — диаметр цилиндра. Рабочий объём всех цилиндров вместе называют литражом двигателя.

Пример: у четырёхцилиндрового мотора с диаметром цилиндра 80 мм и ходом поршня 80 мм рабочий объём одного цилиндра — около 0,4 л, а всего двигателя — около 1,6 л.

Степень сжатия ε показывает, во сколько раз сжимается смесь: ε = (V_h + V_c) / V_c. Это полный объём цилиндра в НМТ, делённый на объём камеры сгорания. Чем сильнее сжатие, тем экономичнее двигатель, но слишком сильно сжатая бензиновая смесь может вспыхнуть сама, раньше искры. Поэтому степень сжатия ограничивает октановое число бензина.

Бензиновый и дизельный двигатель

Оба работают по четырёхтактному циклу, но смесь в них загорается по-разному.

Дизель сжимает воздух так сильно, что тот нагревается выше температуры воспламенения топлива. Высокое сжатие делает дизель экономичнее: КПД легковых дизелей достигает 43%, грузовых — 45%.

Виды ДВС

• По топливу: бензиновые, дизельные, газовые.
• По циклу: четырёхтактные и двухтактные. Двухтактный проходит цикл за один оборот вала: впуск и выпуск идут через окна в стенке цилиндра, пока поршень внизу. Он проще и легче, но расходует больше топлива — такие стоят на мопедах, бензопилах, лодочных моторах.
• По расположению цилиндров: рядные, V-образные, оппозитные — у них цилиндры лежат друг напротив друга.

КПД двигателя

Коэффициент полезного действия показывает, какая доля энергии топлива становится механической работой: η = A / Q. Остальное уходит теплом — с выхлопными газами и в систему охлаждения.

• Двигатель Ленуара 1860 года — около 4%.
• В среднем в обычной езде — около 18–20%.
• Лучшие небольшие четырёхтактные двигатели — около 43%.
• Крупные судовые двухтактные дизели — больше 50%.

Кто изобрёл двигатель внутреннего сгорания

У ДВС нет одного изобретателя: двигатель доводили до ума почти сто лет.

Как мы сделали эти иллюстрации

Для статьи мы построили в коде свою модель одноцилиндрового четырёхтактного двигателя и отрисовали её тем же шейдером голограмм и свечением, что в M2. Каждая деталь задана размерами, а не нарисована от руки, поэтому всё на рисунках двигается как в настоящем моторе.

• Пропорции. Диаметр цилиндра принят за 1, ход поршня — 0,9, длина шатуна — 1,5. Зазор над поршнем в ВМТ подобрали так, чтобы степень сжатия вышла 8,5, как у обычного бензинового мотора.
• Кинематика. Положение поршня считается по углу коленвала через длину шатуна, поэтому поршень ходит не по синусоиде: у ВМТ он движется быстрее, чем у НМТ.
• Клапаны. Распредвалы крутятся вдвое медленнее коленвала, каждый кулачок открывает свой клапан на 180° угла коленвала. Это упрощение: в настоящих моторах клапаны открываются раньше и закрываются позже, и какое-то время открыты оба сразу.
• Разрез. Цилиндр и головка разрезаны пополам, а заряд в цилиндре подсвечен по такту: голубой — свежая смесь, оранжевый — горение, бурый — выхлоп.

Как изучать ДВС в 3D

В M2 есть поршневой двигатель, который собирается руками: двухцилиндровый оппозитный, 30 деталей. Двадцать три из них вы ставите сами в правильном порядке: картер, коленвал, шатуны, поршни, цилиндры, головки. Потом нажимаете «Пуск».

Коленвал вращается, шатуны качаются, распредвал крутится вдвое медленнее и открывает клапаны. Корпус становится полупрозрачным, как на рентгене, над каждым цилиндром подписан текущий такт, а в момент искры видна оранжевая вспышка. Цилиндры работают по очереди. Всё это работает в браузере через обычную веб-камеру, без VR-шлема.

Вопросы и ответы

Источники