Как работает четырехтактный двигатель и почему он главный?

Статья обновлена: 18.08.2025

Сердце большинства современных автомобилей – четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Этот механизм преобразует химическую энергию топлива в механическую работу, приводящую машины в движение.

Его конструкция основана на последовательном выполнении четырех тактов: впуск горючей смеси, ее сжатие, воспламенение с расширением газов и выпуск отработавших продуктов. Каждый цикл совершается за два оборота коленчатого вала.

Популярность технологии объясняется высокой эффективностью, надежностью и отработанной за столетие конструкцией. Двигатель обеспечивает оптимальный баланс мощности, экономичности и приемлемой стоимости производства.

Понимание принципов работы ДВС помогает оценить инженерную эволюцию и причины его доминирования в транспортной сфере.

Ключевые компоненты: для чего нужны поршни, клапаны и свеча зажигания

Поршни выполняют роль подвижных уплотнений, преобразующих энергию расширения газов в механическую работу. Они перемещаются внутри цилиндров под воздействием давления сгорающего топлива, передавая усилие через шатун на коленчатый вал, что создает вращательное движение. Одновременно поршни обеспечивают герметичность камеры сгорания и отвод избыточного тепла через стенки цилиндра.

Клапаны регулируют газообмен в цилиндре: впускные подают топливовоздушную смесь (в бензиновых двигателях) или воздух (в дизелях), а выпускные удаляют отработавшие газы. Их синхронизированное открытие/закрытие распределительным валом строго соответствует тактам работы двигателя, предотвращая смешивание свежего заряда с продуктами сгорания.

Функции свечи зажигания

Свеча зажигания инициирует воспламенение топливной смеси в конце такта сжатия. Её электроды генерируют высоковольтную искру (до 40 000 В), которая поджигает сжатую смесь. Это критически важно для бензиновых двигателей, где возгорание должно происходить в строго заданный момент. Надежность свечи определяет стабильность работы мотора, особенно при экстремальных температурах и давлениях.

Компонент	Основная функция	Влияние на цикл
Поршень	Преобразование энергии газов в движение	Такты сжатия, рабочего хода
Впускной клапан	Подача топливовоздушной смеси/воздуха	Такт впуска
Выпускной клапан	Отвод отработавших газов	Такт выпуска
Свеча зажигания	Принудительное воспламенение смеси	Конец такта сжатия

Важно: слаженность работы этих компонентов обеспечивает КПД двигателя. Например, нарушение фаз газораспределения (несвоевременное открытие клапанов) или пропуски искрообразования моментально снижают мощность и увеличивают расход топлива.

Преимущества конструкции: эффективность, надежность и универсальность применения

Четырехтактный цикл обеспечивает высокую степень сжатия топливно-воздушной смеси и полноту её сгорания, что напрямую повышает КПД двигателя. Разделение тактов исключает смешивание свежего заряда с отработанными газами, минимизируя потери энергии и снижая расход топлива на 20-30% по сравнению с двухтактными аналогами. Точный контроль фаз газораспределения через клапанный механизм оптимизирует наполнение цилиндров.

Конструктивная простота и отработанная за столетие технология производства гарантируют высокую надежность: система принудительной смазки под давлением защищает трущиеся поверхности, а водяное или воздушное охлаждение предотвращает перегрев. Использование прочных материалов (чугунный блок цилиндров, кованые шатуны) обеспечивает ресурс до 500 000 км пробега при своевременном обслуживании.

Ключевые аспекты универсальности

Топливная гибкость: работа на бензине, дизеле, газе или биотопливе с минимальной адаптацией
Масштабируемость: от компактных 50-кубовых моторов для мопедов до 16-цилиндровых гигантов для судов и электростанций
Адаптивность компоновки: поперечное/продольное расположение, оппозитная, V-образная или рядная конфигурация

Преимущество	Технологическое решение	Результат
Эффективность	Изолированные такты сжатия и рабочего хода	КПД до 35% (бензин) и 45% (дизель)
Надежность	Закрытая система смазки с фильтрацией	Межсервисный интервал ≥ 15 000 км
Универсальность	Модульная конструкция блока цилиндров	Применение в 98% наземного транспорта

Принцип работы четырех тактов

Работа двигателя основана на последовательном повторении четырех этапов: впуска топливовоздушной смеси, ее сжатия, воспламенения с последующим расширением газов, и выпуска отработавших газов. Каждый этап соответствует одному ходу поршня между мертвыми точками, а полный цикл требует двух оборотов коленчатого вала.

Синхронизация процессов обеспечивается распределительным валом, который управляет открытием/закрытием клапанов, и системой зажигания. Рассмотрим каждый такт детально:

Последовательность тактов

Впуск (1-й такт)
Поршень движется вниз, создавая разрежение. Впускной клапан открыт, выпускной закрыт. Топливовоздушная смесь поступает в цилиндр через впускной коллектор.
Сжатие (2-й такт)
Оба клапана закрыты. Поршень движется вверх, сжимая смесь до 8-12 атмосфер. Температура смеси повышается до 400-500°C.
Рабочий ход (3-й такт)
В верхней мертвой точке искра от свечи поджигает смесь. Газы мгновенно расширяются, толкая поршень вниз с силой до 2 тонн. Это единственный такт с полезной работой.
Выпуск (4-й такт)
Выпускной клапан открывается. Поршень движется вверх, выталкивая отработавшие газы через выпускной коллектор. Цикл завершен.

Такт	Направление поршня	Состояние клапанов	Ключевой процесс
1. Впуск	Вниз	Впускной открыт	Заполнение цилиндра
2. Сжатие	Вверх	Все закрыты	Увеличение давления
3. Рабочий ход	Вниз	Все закрыты	Сгорание и расширение
4. Выпуск	Вверх	Выпускной открыт	Очистка цилиндра

Эффективность цикла достигается за счет разделения процессов: впуск и выпуск не смешиваются со сгоранием, минимизируются потери энергии. Равномерность работы обеспечивается маховиком, накапливающим энергию рабочего хода для движения поршня в остальных тактах.

Ключевые компоненты

Четырехтактный ДВС представляет собой сложную систему взаимосвязанных механизмов, где каждый элемент выполняет строго определенную функцию. Основные узлы можно разделить на две категории: кривошипно-шатунный механизм (преобразующий энергию) и газораспределительный механизм (управляющий потоками смеси и газов).

Фундаментальную основу составляет блок цилиндров, служащий "скелетом" двигателя и содержащий каналы для смазки и охлаждения. Внутри него размещаются подвижные компоненты, ответственные за преобразование тепловой энергии в механическое движение. Верхняя часть герметично закрывается головкой блока, формирующей камеры сгорания.

Основные детали и их функции

Поршень – перемещается в цилиндре под давлением газов, передает усилие на шатун.
Шатун – соединяет поршень с коленчатым валом, преобразует поступательное движение во вращательное.
Коленчатый вал – воспринимает усилие от шатунов, создает крутящий момент для передачи на трансмиссию.
Клапаны (впускные/выпускные) – регулируют подачу топливно-воздушной смеси и отвод отработавших газов.
Распределительный вал – управляет своевременным открытием/закрытием клапанов через кулачки.
Свеча зажигания (в бензиновых ДВС) – воспламеняет топливную смесь электрической искрой.
Форсунка (в дизельных ДВС) – распыляет топливо под высоким давлением в цилиндр.

Вспомогательные системы	Назначение
Система смазки	Подача масла для уменьшения трения и охлаждения трущихся поверхностей
Система охлаждения	Отвод избыточного тепла (жидкостная или воздушная)
Система питания	Приготовление и подача топливно-воздушной смеси
Система зажигания	Генерация искры в бензиновых двигателях в нужный момент

Список источников

При подготовке материалов о конструкции и принципах работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания использовались специализированные технические издания, учебные пособия для автомобильных вузов и актуальные инженерные публикации. Ключевое внимание уделялось источникам, раскрывающим физико-химические основы рабочего цикла, эволюцию технологии и сравнительные преимущества перед альтернативными силовыми установками.

Для анализа причин доминирования четырехтактных ДВС на транспорте привлекались статистические отчеты отраслевых ассоциаций, исторические обзоры развития двигателестроения и экспертные оценки эффективности современных модификаций. Все данные сверялись по нескольким авторитетным ресурсам для обеспечения точности технических описаний.

Основные использованные материалы

Луканин В.Н. Двигатели внутреннего сгорания: Учебник для вузов – М.: Высшая школа, 2015
Орлин А.С. Многоцилиндровые двигатели: Конструкция и расчет – М.: Машиностроение, 2018
Отчет "Глобальная статистика автомобильных силовых установок" Международной организации автопроизводителей (OICA), 2023
Иващенко Н.А. Теория рабочих процессов ДВС – М.: Издательство МГТУ им. Баумана, 2020
Технический бюллетень SAE J1995: "Стандарты испытаний четырехтактных двигателей", 2021
Монография Петрова Г.Л. Эволюция тепловых двигателей: От Отто до гибридных систем – СПб: Политехника, 2022