Двигатели машин как понять

Традиционно тип двигателя автомобиля современного авто, работающего на жидком топливе, дифференцируют по виду потребляемого горючего: бензин или дизель.

Кроме простых, однотопливных силовых установок, еще есть версии с ГБО, в ходе работы, переключающиеся между потреблением бензина и сжиженного газа, а также гибридные – где относительно маленький ДВС приводит в действие мощный электрический генератор, вращающий колеса.

Кроме привычных нам моторов с рядным, двухрядным (поперечным или продольным), оппозитным, L‐ или V‐образным расположением цилиндров, существуют ДВС вообще без цилиндров, и даже без обычного коленвала. Разберем, что такое тип двигателя, по какому принципу проводится различие и почему часто происходит путаница в типах, классах и названиях.

Конструкция автомобильных двигателей внутреннего сгорания, их компоновка, и сами составляющие – диктуются принципом, по которому они извлекают тепловую энергию сжигания топлива и трансформируют ее в крутящий момент, передаваемый трансмиссии. Как уже было сказано, есть два основных типа двигателей: бензиновый и дизельный, работающие по известным многим термодинамическим циклам: Отто, и (как не странно – не Дизеля) — Тринклера‐Сабатэ.

Первый цикл подразумевает подвод к камере сгорания независимого источника воспламенения топливной смеси (искры), второй — нет. Существенное отличие между этими типами моторов — наличие системы зажигания. Бензиновый — оборудован управляемым искровым зажиганием, а дизельный — не требует никакого дополнительного оборудования. Топливо в нем загорается само, достигая высокой температуры от резкого сжатия под большим давлением.

Кроме одноименного горючего, «бензиновый» мотор может работать на сжиженном газе, спирте, высокооктановой смеси спиртов и бензина, смеси бензина и закиси азота.

Дизельный двигатель – на менее калорийный, кроме солярки, может работать на рапсовом или даже подсолнечном масле, смеси мазута с керосином, разных продуктах нефтеперегонки, вплоть до сырой нефти (в теории, на современных авто – не применяется).

Рядный, V-образный, VR-образный, U-образный, поперечный, продольный, роторный, «звезда» и еще с десяток наименований – это не «тип», а конфигурация, компоновка частей поршневого ДВС, относящегося к бензиновым (газовым), или дизельным.

Разделение по количеству цилиндров и их расположению часто называют «архитектурой».

Сейчас конфигурацией пользуются как основным критерием, потому, что самое массовое применение в мировом автопроме имеют поршневые движки с возвратно‐поступательным принципом работы, включающие привычный набор: цилиндр‐головка‐поршень‐шатун‐коленвал. Исключение — РПД, но о них поговорим отдельно.

Другие критерии, по которым двигатели можно классифицировать:

• Тактность — 2Т, 4Т.
• Способ смесеобразования — карбюраторные, инжекторные, впрысковые.
• Рабочий объем (куб. см).
• Тип ГРМ — клапанный, поршневой, золотниковый.
• Количество клапанов на цилиндр.
• Система охлаждения — воздушное, воздушно‐масляное, жидкостное.
• Наличие и количество распредвалов — одновальный, двухвальный.
• Наличие или отсутствие принудительной подачи воздуха — турбированные или атмосферные.
• Конструкция привода ГРМ — ременной, цепной, штанговый, шестеренчатый.
• Расположение относительно оси движения машины — продольное, или поперечное.

Во всех поршневых ДВС обязательно есть: камера сгорания, поршень, цилиндр (или заменяющий его объем, в котором поршень перемещается) и вал передачи крутящего момента, который вырабатывается этим смещением поршня.

Какой формы будет этот вал – коленчатый (как в большинстве моторов авто), аксиальный, или просто центральный ротор, а также количество, форма, расположение цилиндров, схема системы газораспределения и питания — все это определяется механическим принципом, который человек сконструировавший этот двигатель, взял за основу.

Виды двигателей внутреннего сгорания по принципу работы:

• Возвратно‐поступательные — в которых линейные движения поршня в цилиндре кривошипный механизм трансформирует во вращение коленвала.
• Роторные – где камера сгорания подвижна, и давление сгорающего топлива сразу же придает эксцентриковому валу (ротору) вращательное движение.
• Аксиальные — где, вместо коленвала, нижняя шейка шатунов интегрирована в качающуюся звездообразную шайбу, за счет эксцентрика раскручивающую центральный вал.
• Свободнопоршневые (прототипы) – в которых два оппозитно направленных поршня, с отдельной для каждого камерой сгорания, закреплены на одном штоке. Вращение тут исключено в принципе, и работа составляет только осевое (вправо-влево) перемещение штока, являющегося якорем электрогенератора.

Большинство силовых установок на современных машинах относятся к четырехтактным. Двухтактные можно встретить намного реже.

В двухтактниках – рабочий цикл (все 4 фазы – впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск) приходится на всего два хода поршня между ВМТ и НМТ (верхней и нижней мертвой точкой), на один оборот коленвала.

В четырехтактниках – движение происходит на каждый этап, 4 раза (вниз-вверх, вниз-вверх), 2 оборота «колена».

Двухтактный цикл позволяет сделать двигатель менее оборотистым и в 1,5 раза более мощным, чем такой же по объему четырехтактный, но ценой экономичности (от 15 до 30%) и большей токсичности выхлопа из-за необходимости добавлять масло непосредственно в горючее.

В четырехтактном – сгорание смеси происходит более полно, исключая потери части топливной смеси, вылетающей в выпускной тракт, однако, большой процент выдаваемого крутящего момента уходит на компенсацию тепловых и мощностных потерь от вдвое большего количества ходов поршня (и необходимости тормозить-разгонять значимую массу в ЦПГ).

В итоге «экологичность» и экономичность, все же, «победили», и бензиновые двухтактники (к тому же, требовавшие более интенсивного теплоотвода) в массовом производстве силовых установок для легковушек и грузовиков уступили место четырехтактникам. А вот в танкостроении и авиации, где с потерями масла и экономичностью считаться не принято, наоборот – двигатель 2Т типа «прижился» хорошо.

Все знают, что двух и четырехтактными бывают бензиновые моторы, а четырехтактными – дизели, но не все знают, что на самом деле двухтактный дизель тоже существует.

Разработанный больше 120 лет назад, он спроектирован по схеме встречного движения двух поршней в одном цилиндре. Их верхушки в ВМТ создают одну общую камеру сгорания, воспламенение смеси – тоже «одно на двоих».

Двигаясь в противоположных направлениях, поршни толкают каждый свой коленвал, тем самым компенсируя вибрации друг друга.

Интересно, что подобная схема допускает создание как дизельного, так и бензинового мотора: бензиновый вариант такого «оппозита» раньше устанавливался на немецкие самолеты Юнкерс, а сегодня – усовершенствованный вариант двухтактного дизеля применяется в тепловозах серий ТЭ3 и ТЭ10, в танках (движки 5ТДФ и 6ТД), на малых судах.

Чтобы поджечь топливовоздушную смесь (не важно, газ это, или жидкость) эти ДВС генерируют высоковольтный искровой разряд от внешнего электрооборудования.

Схематически: ток от генератора через прерыватель идет к каждому цилиндру, повышается на его катушке, пробивает зазор между электродами свечи, поджигает смесь, уходя на массу (корпус).

Для питания такой системы горючим применяют простую, но более архаичную и неэкономичную — карбюраторную схему, либо усовершенствованную — инжекторную систему подачи топлива.

Топливовоздушная смесь готовится для него в отдельном устройстве, на входе во впускной канал (каждого цилиндра индивидуально, или общего впускного коллектора для нескольких).

Упрощенно, карбюратор – это закрытый «стакан» с соломинкой, верхушка которой торчит во впускном тракте, на пути потока, который разрежением «высасывает» бензин из этого стакана.

Количество топлива – регулируется величиной отверстия (жиклера) внутри этой «соломинки», а постоянный уровень в «стакане» (поддоне) поддерживается бензонасосом. Общий объем бензовоздушной смеси – регулируется поворотом воздушной заслонки – дросселя (педалью газа).

Объем поступающего воздуха и качество смеси в инжекторных ДВС регулируется отдельно: за воздух – так же отвечает дроссель, за топливо – «мозги» (ЭБУ), дающие форсунке команду на впрыск.

Соответственно размещению топливных форсунок, инжекторы делятся на три типа:

• Центрального – выходящие соплом во впускной коллектор (устаревший).
• Распределенного — индивидуальная форсунка на каждый впускной клапан.
• Непосредственного — сопло форсунки выходит прямо в камеру сгорания.

В двух последних типах – предварительное одинаковое рабочее давление «форсункам» обеспечивает единая топливная рейка (она же – рампа).

Система подачи топлива в этих ДВС сходна с распределенным впрыском на инжекторах, только с поправкой на большую, по сравнению с бензиновыми движками, степень сжатия. Ее характеристики для бензинового, в среднем, составляют от 7 до 10 единиц, для дизеля – от 11 до 20 (26 у супертурбо) единиц.

Давления порядка 40–50 бар — хватает на то, чтобы разогреть воздух в камере сгорания до 800–900 оС, поэтому впрыскиваемое в этот момент топливо сгорает, даже если оно недостаточно однородно распылено, из-за чего движки, работающие на солярке, по сравнению с другими, выдают процентов на 10–12 больший КПД, и демонстрируют до 40% экономии топлива. Естественно, для реализации таких характеристик нужен значительный запас прочности, поэтому детали ЦПГ и коленвала дизеля всегда будут массивнее, толще, тяжелее, чем у бензинового мотора внутреннего сгорания того же объема и конфигурации.

Это еще более экономичная (до 60% экономии топлива) версия типового мотора, потребляющего солярку. Правда не в качестве основного топлива, а в качестве инициирующей «запальной» порции, перед впрыском основной — сжиженного природного газа.

Конфигурацией агрегатов — не отличается от дизеля, применяется в тяжелой дорожной, или стационарной технике. Газодизели получаются из простого серийного мотора, путем установки специальной версии ГБО.

За исключением редких концептов, вроде свободнопоршневых, это обычные бензиновые движки (дизельные – в этом плане практически не применяются), которые лишены привычной коробки передач и «крутят», в основном, электрогенератор, питающий емкую аккумуляторную батарею.

Аккумулятор, в свою очередь, питает большой, тяговый электродвигатель, сообщающий крутящий момент на колеса. В зависимости от нагрузки и уровня заряда батареи, обычный мотор — отключается, либо подключается автоматикой к общей трансмиссии машины, через вариатор.

В конструкции современных автомобилей обычно применяются силовые установки с числом цилиндров от двух и больше.

При том же объеме, двухцилиндровый мотор выдаст больший крутящий момент, чем одноцилиндровый, а четырехцилиндровый – соответственно, больше, чем двух.

Однако «умножать» их количество можно только до какого‐то разумного предела: при всей эффективности, нужно соблюсти компактность, обеспечить цилиндрам равно хорошую смазку, подачу горючего и охлаждение.

В погоне за идеалом, конструкторы «разродились» несколькими схемами взаимной компоновки цилиндропоршневой группы и кривошипно‐шатунного механизма. Самые распространенные виды — рядная и V‐образная схема.

Рядный тип – это когда шатуны нескольких цилиндров (2-3-4-5-6 шт.) смонтированы на одном продольном коленчатом валу, каждый на отдельной «шейке», цилиндры идут в едином блоке, параллельно друг другу. Наиболее популярны 4 и 6‐цилиндровые версии.

У V-образных движков, цилиндры которых расположены в два ряда, под взаимным углом 60, 90, либо 45 (мотоциклетные) градусов — на одной коренной шейке могут монтироваться по два шатуна одновременно. Самые надежные и сбалансированные — версии V6 и V8.

Оппозитный вариант компоновки бывает двух видов: сходный с V-образным, но с развалом цилиндров 180 градусов и стыковкой шатунов на единой шейке, с последовательным поочередным выходом в ВМТ. Либо – с индивидуальными «коленами» для каждого из них, находящихся в противофазе: одновременно выходящих на ВМТ.

U-образный тип компоновки подразумевает параллельное «сращивание» двух рядных моторов со взаимно независимыми кривошипными механизмами, вращающимися в противоположном направлении и рядами блоков. Преимущества – те же, что у «рядников», плюс компенсация инерционных вибраций.

U‐образный двигатель Бугатти

VR двигатель – очень старый (20 годов ХХ века) вариант V-образной компоновки с единым «коленом» и развалом цилиндров менее 20 градусов. Рядно‐смещенная схема позволяет сделать ДВС очень компактным при большой кубатуре.

VR двигатель в разрезе

W-двигатель – наиболее монструозный вариант с тремя, или четырьмя рядами цилиндров, взаимно «разваленных» под углом от 50 до 30 градусов, шатуны которых посажены на единый коленвал. Преимущественно 12‐цилиндровый, формой напоминающий одноименную букву, движок выдавал бешеный крутящий момент. Применялся в основном на спорткарах.

W‐образный двигатель в разрезе

Не укладывающиеся в привычные нам рамки автомобильных моторов, но, тем не менее, успешно реализованные в серийном или мелкосерийном производстве: роторно-поршневые (они же РПД, RCV, или Двигатель Ванкеля) имеют равное число серьезных недостатков и достоинств, перекрывающих их в глазах преданных фанатов.

Все японские автомобильные концерны имеют лицензию на производство РПД еще с 50-х годов прошлого века, но только одному удалось довести до «серии» этот прожорливый, перегревающийся, неремонтопригодный движок с крайне малым ресурсом (от 30 до 150 т. км пробега). Кроме Мазды, в 70–80 годы такой тип мотора применялся в отдельных моделях Ситроенов, Шевроле, Мерседесов, и даже некоторых ВАЗах (спецтранспорт для ГАИ и милиции).

Роторно‐поршневой двигатель Мазда

Принцип работы РПД похож на вращение якоря в обмотке электродвигателя, с той разницей, что большой треугольный эксцентрик его «ротора» внутри корпуса «статора» «толкает» не ток, а энергия теплового расширения сгорающей бензо‐масло‐воздушной смеси.

Каждая плоскость ротора имеет углубление, служащее камерой сгорания, каждый торец — снабжен уплотнением, работающим как поршневое кольцо.

Захватив порцию смеси, они последовательно продвигают ее по кругу, за один оборот проходя все 4 такта рабочего цикла.

Принцип настолько же прост, насколько эффективен: мощность, выдаваемая одним (нетурбированным!) блоком объемом 1.3 л достигала 230–250 л с. При необходимости, блоки можно набирать последовательно насаживая на единый вал, и получая соответствующий прирост мощности.

Роторно-поршневой двигатель лишен вибраций, фантастически компактен, имеет высокий КПД, поэтому, несмотря на склонность к перегреву, сложность в изготовлении и малый ресурс, все еще совершенствуется.

Японским конструкторам удалось подвести «токсичность» Rotary Engine к нормам Евро-4, а впереди – планы по переводу его на «чистое» топливо — водород.

8 самых известных типов двигателей в мире и их отличия

 

Двигатель – это агрегат, который может преобразовать одну энергию в механическую.

В эту категорию входит множество видов двигателей, начиная от паровых (двигатели внешнего сгорания) и электрических и заканчивая двигателями внутреннего сгорания (бензиновые, дизельные моторы и т. д.).

Мы покажем вам восемь самых известных в мире двигателей, а также просто и интуитивно понятно расскажем вам, как они работают, описав принципы их работы. 

1. Оппозитный двигатель

В горизонтально противоположном двигателе (оппозитном) поршни двигаются по обеим сторонам коленчатого вала влево и вправо в горизонтальном направлении. В этом случае высота двигателя уменьшена. За счет использования оппозитного двигателя уменьшается центр тяжести транспортного средства – автомобиль движется более плавно. Крутящий момент, создаваемый поршнями с обеих сторон, компенсирует друг друга, значительно уменьшая вибрацию транспортного средства во время движения.

Также подобная конструкция позволяет сделать двигатели высокооборотистыми. Но, несмотря на высокие обороты, оппозитные моторы имеют меньше шума, чем обычные ДВС. 

Двигатели с горизонтальным ходом поршней использует компания Porsche почти во всех моделях. Но, например, в Porsche Cayenne и Panamera оппозитные двигатели не применяются. 

2. Рядный двигатель

В рядном двигателе все его цилиндры расположены рядом друг с другом в одной плоскости. Конструкция цилиндров и коленвала довольно-таки проста. Головка блока цилиндров имеет небольшую стоимость при изготовлении. Также рядные двигатели отличаются высокой стабильностью, характеристиками крутящего момента на низких оборотах, низким расходом топлива и компактным размером. Рядные двигатели обычно обозначаются латинской буквой «L-n», где n – количество цилиндров рядного двигателя. Современные автомобили в основном имеют двигатели с обозначением L3, L4, L5, L6.

3. Двигатель V-типа (V-образный силовой агрегат)

V-образный двигатель разделяет все цилиндры на две группы друг напротив друга под определенным углом. В итоге мотор образует плоскость под углом. Если посмотреть на этот тип двигателя со стороны, то он будет иметь V-образную форму. V-образные двигатели имеют небольшую высоту и длину. Этот тип моторов удобнее размещать в автомобиле по сравнению с обычными рядными моторами, которые по своим размерам гораздо больше. 

В настоящее время во многих автомобилях среднего и люкс-класса используются V-образные двигатели. Чаще всего это 6-цилиндровые силовые агрегаты. Например, такие двигатели стоят на Volkswagen Passat, Audi A6 и Mercedes E-класса AMG. 

4. Квазитурбинный двигатель

Квазидвигатель представляет собой модифицированный двигатель, основанный на роторном силовом агрегате. Если в обычном роторном двигателе задействованы три лопасти, то квазидвигатель использует цепной ротор, состоящий из четырех частей. Это беспоршневой роторный мотор с ромбовидным ротором. Преимущество двигателя: это новый тип двигателя небольшого размера, с высокой мощностью, высоким крутящим моментом, который может работать на множестве источников энергии. 

В настоящий момент квазидвигатель не используется ни на одном автомобиле, поэтому невозможно проверить, подходит ли он для замены обычных поршневых двигателей внутреннего сгорания или в качестве лучшей альтернативы обычным роторным моторам. Квазидвигатель все еще находится в стадии создания прототипа. 

5. Роторный двигатель

Внутреннее пространство корпуса роторного двигателя всегда разделено на три рабочие камеры. Во время движения ротора объем трех рабочих камер постоянно изменяется. Двигатель также имеет четыре такта: впуск, сжатие, сгорание и выпуск последовательно завершаются в циклоидальном цилиндре.

Роторный двигатель сильно отличается от обычных поршневых двигателей внутреннего сгорания. Себестоимость производства роторных моторов существенно больше, также как и их последующее обслуживание и ремонт. Кроме того поршневой двигатель по сравнению с роторным эффективней с точки зрения мощности, веса, выбросов и энергопотребления.

В сочетании с этим, а также в связи со странности технологий роторного двигателя, крупные автомобильные компании пришли к выводу, что использование роторных силовых агрегатов в автопромышленности бессмысленно.

Так как роторные моторы не показали своих преимуществ перед обычными, у автомобильных компаний не появилось энтузиазма по их дальнейшей разработке.

Только компания Mazda до сих пор тратит огромные деньги на разработку новых поколений роторных моторов. 

6. Двигатель Green Steam

Green Steam – эффективный, экономичный и простой двигатель, разработанный изобретателем Робертом Грином из Лагуна Вудс, Калифорния, США. Этот мотор преобразует избыточное тепло в водяной пар, который и приводит в движение силовой агрегат. Легкий и компактный двигатель Green Steam преобразует возвратно-поступательное движение во вращательное. Его основной характеристикой является гибкий вал, который передает возвратно-поступательное движение от поршней к кривошипу «Z», таким образом, совершая вращательное движение, не используя запястья, шатуны или коленчатые валы.

Этот мотор может использоваться для воздушных насосов, генераторов, водяных насосов, воздуходувок горячего воздуха, аппаратов дистилляции воды, тепловых насосов, кондиционеров, модельных самолетов и т. д. 

Одним из наиболее уникальных преимуществ двигателя является его способность генерировать энергию из тепла двигателей.

 По существу, отработанное тепло выхлопных газов от двигателя транспортного средства может быть преобразовано в энергию, используемую для некоторых систем охлаждения и насосов транспортного средства.

 Этот двигатель повысит уровень эффективности любого транспортного средства или системы машины, на которой он установлен.

7. Двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга относится к типам силовых агрегатов внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменении давления. Принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянном сжатии рабочего цилиндра, в результате чего происходит нагревание его внутренней части, а затем охлаждение. Из-за перепада давления из цилиндра извлекается энергия, образуемая при изменении давления. Обычно в качестве рабочего тела используется водород или гелий. Но чаще в таких моторах используется воздух. 

Двигатели Стирлинга отлично подходят для преобразования тепла в электроэнергию. Например, многие специалисты считают, что эти моторы подходят для солнечных электрических установок. 

То есть это идеальные силовые агрегаты для преобразования солнечной энергии в электричество. 

8. Радиальный двигатель (звездообразный)

Звездообразный двигатель представляет собой поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором цилиндры расположены вокруг коленчатого вала. Один поршень соединен с коленвалом через главный шатун. Остальные поршни прикреплены через шатуны к кольцам главного ведущего шатуна. 

Двигатель преимущественно создан для использования в самолетах. До появления реактивных двигателей в большинстве поршневых авиационных двигателей использовались подобные звездообразные конструкции силовых агрегатов. Эти моторы, как правило, устанавливались на самолеты небольшой дальности. Остальные самолетные моторы имели V-образную форму. 

Некоторые современные легкие самолеты до сих пор оснащаются радиальными моторами.

Ряд компаний продолжает строить радиальные системы сегодня. Например, вот современный авиационный радиальный 9-цилиндровый двигатель Веденеев мощностью 360–450 л. с., который в настоящий момент используется на самолетах Яковлева и Сухого.

Принцип работы и устройство двигателя

Двигатель внутреннего сгорания называется так потому что топливо воспламеняется непосредственно внутри его рабочей камеры, а не в дополнительных внешних носителях.

Принцип работы ДВС основан на физическом эффекте теплового расширения газов, образующихся в процессе сгорания топливно-воздушной смеси под давлением внутри цилиндров двигателя.

Выделяемая в этом процессе энергия преобразуется в механическую работу.

В процессе эволюции ДВС выделились несколько типов двигателей, их классификация и общее устройство:

• Поршневые двигатели внутреннего сгорания. В них рабочая камера находится внутри цилиндров, а тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством кривошипно-шатунного механизма, передающего энергию движения на коленчатый вал. Поршневые моторы делятся, в свою очередь, на:
  • карбюраторные, в которых воздушно-топливная смесь формируется в карбюраторе, впрыскивается в цилиндр и воспламеняется там искрой от свечи зажигания;
  • инжекторные, в которых смесь подаётся напрямую во впускной коллектор, через специальные форсунки, под контролем электронного блока управления, и также воспламеняется посредством свечи;
  • дизельные, в которых воспламенение воздушно-топливной смеси происходит без свечи, посредством сжатия воздуха, который от давления нагревается до температуры, превышающей температуру горения, а топливо впрыскивается в цилиндры через форсунки.
• Роторно-поршневые двигатели внутреннего сгорания. Здесь тепловая энергия преобразуется в механическую работу посредством вращения рабочими газами ротора специальной формы и профиля. Ротор движется по «планетарной траектории» внутри рабочей камеры, имеющей форму «восьмёрки», и выполняет функции как поршня, так и ГРМ (газораспределительного механизма), и коленчатого вала.
• Газотурбинные двигатели внутреннего сгорания. Особенности их устройства заключаются в преображении тепловой энергии в механическую работу с помощью вращения ротора со специальными клиновидными лопатками, который приводит в движение вал турбины.

Далее рассматриваются только поршневые двигатели, так как только они получили широкое распространение в автомобильной промышленности. Основные причины тому: надежность, стоимость производства и обслуживания, высокая производительность.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Схема устройства двигателя.

Первые поршневые ДВС имели лишь один цилиндр небольшого диаметра. В дальнейшем, для увеличения мощности сначала увеличивали диаметр цилиндра, а потом и их количество. Постепенно двигатели внутреннего сгорания приняли привычный нам вид. “Сердце” современного автомобиля может иметь до 12 цилиндров.

Наиболее простым является двигатель с рядным расположением цилиндров. Однако, с увеличением количества цилиндров растет и линейный размер двигателя. Поэтому появился более компактный вариант расположения — V-образный. При таком варианте цилиндры расположены под углом друг к другу (в пределах 180-ти градусов). Обычно используется для 6-цилиндровых двигателей и более.

Одна из основных частей двигателя — цилиндр (6), в котором находится поршень (7), соединенный через шатун (9) с коленчатым валом (12). Прямолинейное движение поршня в цилиндре вверх и вниз шатун и кривошип преобразуют во вращательное движение коленчатого вала.

На конце вала закреплен маховик (10), назначение которого придавать равномерность вращению вала при работе двигателя. Сверху цилиндр плотно закрыт головкой блока цилиндров (ГБЦ), в которой находятся впускной (5) и выпускной (4) клапаны, закрывающие соответствующие каналы.

Клапаны открываются под действием кулачков распределительного вала (14) через передаточные механизмы (15). Распределительный вал приводится во вращение шестернями (13) от коленчатого вала.

Для уменьшения потерь на преодоление трения, отвод теплоты, предотвращения задиров и быстрого износа трущиеся детали смазывают маслом.

В целях создания нормального теплового режима в цилиндрах двигатель должен охлаждаться.

Но главная задача – заставить работать поршень, ведь именно он является главной движущей силой.

Для этого в цилиндры должны подаваться горючая смесь в определенной пропорции (у бензиновых) или отмеренные порции топлива в строго определенный момент под высоким давлением (у дизелей).

Топливо воспламеняется в камере сгорания, отбрасывает поршень с большой силой вниз, тем самым приводя его в движение.

Принцип работы двигателя

Схема работы двигателя.

Из-за низкой производительности и высокого расхода топлива 2-тактных двигателей практически все современные двигатели производят с 4-тактными циклами работы:

1. Впуск топлива;
2. Сжатие топлива;
3. Сгорание;
4. Вывод отработанных газов за пределы камеры сгорания.

Точка отсчета — положение поршня вверху (ВМТ — верхняя мертвая точка). В данный момент впускное отверстие открывается клапаном, поршень начинает движение вниз и засасывает топливную смесь в цилиндр. Это первый такт цикла.

Во время второго такта поршень достигает самой нижней точки (НМТ — нижняя мертвая точка), при этом впускное отверстие закрывается, поршень начинает движение вверх, из-за чего топливная смесь сжимается. При достижении поршнем максимальной верхней точки топливная смесь сжата до максимума.

Третий этап – это поджигание сжатой топливной смеси с помощью свечи, которая испускает искру. В результате горючий состав взрывается и толкает поршень с большой силой вниз.

На заключительном этапе поршень достигает нижней границы и по инерции возвращается к верхней точке. В это время открывается выпускной клапан, отработанная смесь в виде газа выходит из камеры сгорания и через выхлопную систему попадает на улицу. После этого цикл, начиная с первого этапа, повторяется снова и продолжается в течение всего времени работы двигателя.

Описанный выше способ является универсальным. По такому принципу построена работа практически всех бензиновых моторов. Дизельные двигатели отличаются тем, что там нет свеч зажигания – элемента, который поджигает топливо.

Детонация дизельного топлива осуществляется благодаря сильному сжатию топливной смеси. При такте «впуск» в цилиндры дизеля поступает чистый воздух. Во время такта «сжатие» воздух нагревается до 600О С.

В конце этого такта в цилиндр впрыскивается определенная порция топлива, которое самовоспламеняется.

Вышеописанное представляет собой БЦ (блок цилиндров) и КШМ (кривошипно-шатунный механизм). Помимо этого современный ДВС состоит и из других вспомогательных систем, которые для удобства восприятия группируют следующим образом:

1. ГРМ (механизм регулировки фаз газораспределения);
2. Система смазки;
3. Система охлаждения;
4. Система подачи топлива;
5. Выхлопная система.

Чтобы в цилиндр поступало нужное количество топлива и воздуха, а продукты сгорания вовремя удалялись из рабочей камеры, в ДВС предусмотрен механизм, называемый газораспределительным. Он отвечает за открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, через которые в цилиндры поступает топливо-воздушная горючая смесь и удаляются выхлопные газы. К деталям ГРМ относятся:

• Распределительный вал;
• Впускные и выпускные клапаны с пружинами и направляющими втулками;
• Детали привода клапанов;
• Элементы привода ГРМ.

ГРМ приводится в действие от коленчатого вала двигателя автомобиля. С помощью цепи или ремня вращение передается на распределительный вал, который посредством кулачков или коромысел через толкатели нажимает на впускной или выпускной клапан и по очереди открывает и закрывает их.

В любом моторе есть множество трущихся деталей, которые необходимо постоянно смазывать, чтобы уменьшить потери мощности на трение и избежать повышенного износа и заклинивания. Для этого существует система смазки.

Попутно с ее помощью решается еще несколько задач: защита деталей двигателя внутреннего сгорания от коррозии, дополнительное охлаждение деталей мотора, а также удаление продуктов износа из мест соприкосновения трущихся частей.

Систему смазки двигателя автомобиля образуют:

• Масляный картер (поддон);
• Насос подачи масла;
• Масляный фильтр с редукционным клапаном;
• Маслопроводы;
• Масляный щуп (индикатор уровня масла);
• Указатель давления в системе;
• Маслоналивная горловина.

Во время работы мотора его детали соприкасаются с раскаленными газами, которые образуются при сгорании топливо-воздушной смеси.

Чтобы детали двигателя внутреннего сгорания не разрушались из-за чрезмерного расширения при нагреве, их необходимо охлаждать. Охладить мотор автомобиля можно с помощью воздуха или жидкости.

Современные моторы имеют, как правило, жидкостную схему охлаждения, которую образуют следующие части:

• Рубашка охлаждения двигателя;
• Насос (помпа);
• Термостат;
• Радиатор;
• Вентилятор;
• Расширительный бачок.

Система питания для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от искры и от сжатия отличаются друг от друга, хотя и имеют ряд общих элементов. Общими являются:

• Топливный бак;
• Датчик уровня топлива;
• Фильтры очистки топлива — грубой и тонкой;
• Топливные трубопроводы;
• Впускной коллектор;
• Воздушные патрубки;
• Воздушный фильтр.

В обеих системах имеются топливные насосы, топливные рампы, форсунки подачи топлива, сам принцип подачи одинаков: топливо из бака с помощью насоса через фильтры подается в топливную рампу, из которой попадает в форсунки. Но если в большинстве бензиновых двигателей внутреннего сгорания форсунки подают его во впускной коллектор мотора автомобиля, то в дизельных оно подается непосредственно в цилиндр, и уже там смешивается с воздухом.

Система выхлопа предназначена для отвода отработанных газов из цилиндров двигателя автомобиля. Основные детали, ее составляющие:

• Выпускной коллектор;
• Приемная труба глушителя;
• Резонатор;
• Глушитель;
• Выхлопная труба.

В современных двигателях внутреннего сгорания выхлопная конструкция дополнена устройствами нейтрализации вредных выбросов.

Она состоит из каталитического нейтрализатора и датчиков, сообщающихся с блоком управления двигателем.

Выхлопные газы из выпускного коллектора через приемную трубу попадают в каталитический нейтрализатор, затем через резонатор в глушитель. Далее через выхлопную трубу они выбрасываются в атмосферу.

Как работает двигатель?

Важно ли понимать устройство двигателя для обычного пользователя автомобиля? Это как минимум необходимо для правильной эксплуатации мотора. Например, знаете ли вы про 9-цилиндровый мотор БМВ или что такое объем двигателя? За пять минут расскажем просто обо всем важном.

Виды моторов

Двигатель внутреннего сгорания представляет собой достаточно сложную конструкцию. Существуют двух- и четырехтактные двигатели. Наиболее распространены 4-тактные моторы в автомобилях и мотоциклах.

Двухтактники также могут применяться в транспорте, но чаще их используют для некоторых видов водных и даже воздушных судов.

Двухтактные моторы устанавливают в мотокосах, бензопилах и прочем строительном бензоинструменте.

Конструкторы успели придумать такое множество агрегатов, попадающих под определение ДВС. Мы будем рассматривать наиболее привычные варианты. Рассмотрим 4-тактный мотор. Чтобы понять порядок и принципы его работы, разберемся, из чего он состоит:

• цилиндры, в которых располагаются поршни;
• коленчатый вал;
• газораспределительный механизм.

К этому добавим системы зажигания, подачи топлива и отвода отработанных газов, а также смазки и охлаждения двигателя.

Основные подходы к классификации силовых установок:

1. По количеству цилиндров.
2. По расположению цилиндров.
3. По виду топлива.

1. Цилиндров чаще всего бывает от одного до шести. Более мощные автомобили могут использовать, например, 8, 12 или 16 цилиндров.

2. В рядном двигателе цилиндры на коленчатом валу располагаются один за другим в ряд. Увеличить мощность двигателя без существенного изменения размеров можно путем удвоения количества цилиндров. При этом один ряд поршней располагается относительно второго ряда под углом 90 градусов.

Такой тип двигателя называется V-образным. Существует еще и оппозитный тип мотора, когда два ряда поршней располагаются под углом 180 градусов. Такие двигатели, например, применяются в автомобилях Subaru.

За счет особенностей расположения цилиндров автомобиль получает более низкий центр тяжести и вибрацию при работе, а также минимальную высоту капота.

3. ДВС может работать на бензине и дизтопливе. Отличие заключается в том, что в бензиновом моторе топливо подается смешанное с воздухом и зажигается с помощью искры от свечи. У дизельного мотора топливо и воздух подаются раздельно, воспламенение происходит от высокой температуры сжатого газа. Вместо бензина в двигателе со смешанным топливом может использоваться газ, например, метан.

В одной модели автомобиля часто используется целая линейка двигателей с разными характеристиками на выбор покупателя. Например, в популярной BMW 5-й серии (Е60) может использоваться рядный 4-цилиндровый дизельный двигатель (M47), рядный 6-цилиндровый турбодизель (М57) или мощный 10-цилиндровый бензиновый V-образник (S85).

А вот 9-цилиндровый двигатель БМВ ставили на самолеты, и располагались цилиндры относительно друг друга в виде звезды.

Порядок работы двигателя

Вернемся к двух- и четырехтактным двигателям. Конструкции двухтактных моторов могут сильно различаться и быть как проще, так и намного сложнее четырехтактных собратьев.

За счет меньшего количества оборотов мощность двухтактников выше, но экономичность хуже.

Маленькие по размерам и мощности моторы не требуют сложной системы охлаждения, масло для смазки добавляется непосредственно с топливом в камеру сгорания.

Один такт – это движение поршня внутри цилиндра вверх или вниз. Работа 4-тактного мотора состоит из:

• впуска;
• сжатия;
• рабочего хода;
• выпуска.

У двухтактной силовой установки впуск происходит во время сжатия (первый такт), а рабочий ход совмещен с выпуском отработанных газов (второй такт).

Теперь подробнее о четырехтактном процессе.

В цилиндре находится поршень, который с помощью шатуна крепится к коленвалу. Сверху цилиндра находятся впускные и выпускные клапаны, а также свеча. Внутренний объем всех цилиндров составляет так называемый объем двигателя.

Поршень может находиться в верхней точке цилиндра (верхняя мертвая точка), нижней (нижняя мертвая точка) или перемещаться между ними.

В первом такте открывается впускной клапан и поршень опускается. Таким образом, цилиндр наполняется либо смесью топлива и воздуха, либо только воздухом (для дизельного мотора).

Во втором такте поршень идет вверх, сжимая содержимое и параллельно увеличивая его давление и температуру.

В конце такта свеча зажигания создает искру, в результате чего происходит детонация топливной смеси в бензиновом двигателе.

В дизельном же свеча не используется, а топливо подается в последний момент такта, которое возгорается за счет высокого давления и температуры воздуха.

В третьем и основном такте работы мотора высвобождаемая от взрыва энергия двигает поршень вниз. Именно в этот момент создается сила, которая заставляет коленчатый вал вращаться, а от него вращается и маховик двигателя.

На четвертом такте поршень поднимается к верхней мертвой точке при открытом выпускном клапане. При этом удаляются отработанные газы. Далее цикл из четырех тактов повторяется.

Если в двигателе используется несколько цилиндров, движение их поршней управляется газораспределительным механизмом таким образом, чтобы цилиндры одновременно находились на разных тактах. Систем управления газораспределением существует несколько − от механических распредвалов до электронных процессоров.

Все движимые детали обязательно должны охлаждаться и смазываться. Температура в момент детонации достигает нескольких тысяч градусов.

Охлаждение, как правило, производится с помощью жидкости, которая отбирает тепло у деталей двигателя. Далее жидкость сама должна охладиться и снова вернуться в мотор.

Превышение допустимых температур может привести к практически моментальному разрушению силовой установки.

В легковых автомобилях количество оборотов коленвала может достигать восьми тысяч в минуту. Для минимизации механического износа система смазки должна работать идеально. Поэтому важно следить за уровнем моторного масла и работоспособностью масляного насоса. Системы смазки и охлаждения могут страдать из-за загрязнения, что ведет к сужению или перекрытию каналов движения жидкостей.