В настоящее время существуют различные типы двигателей автомобилей , основанные на принципе внутреннего сгорания. По характеру работы они разделяются на карбюраторные и дизельные. Рассмотрим их отличия и поговорим о видах моторов в современных автомобилях.
Цикл работы двигателя – критерий для классификации
Принцип действия двигателя основан на превращении тепловой энергии в механическую с помощью определенных повторяющихся процессов, представляющих собой рабочий цикл. В зависимости от количества ходов поршня, затрачиваемых на осуществление такого цикла, двигатели бывают четырехтактными или двухтактными. Все типы двигателей внутреннего сгорания, используемые в автомобилях, работают по четырехтактному рабочему циклу. Он включает в себя впуск и сжатие топлива, а также рабочий ход и выпуск отработанных газов.
Двухтактный мотор за один цикл осуществляет всего два хода поршня: сжатие и рабочий ход. А вот очистка и наполнение цилиндров происходит во время этих двух тактов, практически в предкритических точках. Эти двигатели имеют некоторые недостатки, например, больший уровень загрязнения выхлопных газов. Но при равных объемах двухтактный мотор мощнее четырехтактного, а также проще его конструкция. Главным минусом, из-за которого они не нашли распространение в автомобилях, является большой расход топлива, оно не сгорает в значительной степени, из-за чего и получаются слишком загрязненные выхлопы.
Инжекторные виды автомобильных двигателей
Инжекторный мотор работает несколько по-другому: не воздух подается в топливо, а топливо дозированно подается в воздушную среду методом мелкого вспрыска. Форсунка под давлением распыляет горючую жидкость, что уменьшает ее расход, потому что это количество дозируется специальными устройствами. По этой же причине такие моторы экономичнее, а за счет оптимальной пропорции компонентов полученной смеси увеличивается чистота выхлопа и КПД двигателя.
Те виды автомобильных двигателей, которые используют инжекторы, разделяются на электронные и механические. В первом случае составление и впрыск топлива происходит с применением специального электронного блока управления. Механическая дозировка топлива осуществляется рычагами плунжерного типа, где саму топливную смесь контролирует электроника. При использовании таких инжекторных систем обеспечивается более тщательное сгорание топлива и до минимума уменьшаются вредные выбросы отработанных продуктов.
Карбюраторные виды двигателей автомобилей – что придет им на смену?
Рассмотрим, какие виды двигателей бывают в современных машинах. Все они различаются между собой по типу используемого топлива, по расположению и количеству цилиндров, по способу образования рабочей смеси и прочим параметрам, характеризующим их работу. Очень многие виды бензиновых двигателей до сих пор устанавливаются на современные модели автомобилей.
Бензин, проходящий через топливную систему, попадает в карбюратор или впускной коллектор. Туда же поступает воздух, под действием его потока происходит активное смешивание, в результате получается смесь. Затем осуществляется подача готовой воздушно-топливной смеси в цилиндры, где она сжимается под действием усилий поршней, после чего поджигается электрической искрой, вырабатываемой свечами зажигания.
Все виды двигателей автомобилей, где используются карбюраторы, считаются устаревшими. В настоящее время широкое применение получила подача топлива при помощи инжектора. В этом случае распыление топлива осуществляется форсунками либо сразу в цилиндр или через специальный впускной коллектор.
Типы двигателей автомобилей: дизель – модно или практично?
Рассматривая виды двигателей внутреннего сгорания, следует выделить отдельно дизельные двигатели внутреннего сгорания, принцип работы которых основан на воспламенении рабочей смеси в процессе сжатия. При втягивании воздуха происходит его сильное сжатие, намного превышающее это же значение в карбюраторных двигателях. В результате высокого давления происходит разогрев воздуха до очень высокой температуры, вызывающий самовоспламенение рабочей смеси. После этого наступает цикл рабочего хода поршня и последующее вытеснение им отработанных газов через выпускной клапан.
Такие типы автомобильных двигателей отличаются более низким расходом топлива и небольшим количеством вредных веществ в отработанных газах . Коэффициент полезного действия дизелей также выше. Сегодня минусов у этого типа моторов становится все меньше, даже заморозки уже не являются преградой к запуску автомобиля. Установка внутреннего подогрева системы решила вечную головную боль владельцев «дизелей».
Различные виды работают почти на идентичном топливе, отличающемся только характеристиками, зависящими от времени года. У этих двигателей отсутствует система зажигания, поскольку топливо взрывается под высоким давлением, которое обеспечивает движение поршня. Таким образом, множество видов двигателей внутреннего сгорания обеспечивает производство самых разных моделей автомобилей. Это позволяет использовать их практически во всех областях жизни.
Поршневой ДВС (двигатель внутреннего сгорания) является тепловой машиной и работает по принципу сжигания смеси топлива и воздуха в камере сгорания. Главной задачей такого устройства выступает преобразование энергии сгорания топливного заряда в механическую полезную работу.
Не смотря на общий принцип действия, сегодня существует большое количество агрегатов, которые существенно отличаются друг от друга благодаря целому ряду индивидуальных конструктивных особенностей. В этой статье мы поговорим о том, какие бывают двигатели внутреннего сгорания, а также в чем состоят их главные особенности и отличия.
Читайте в этой статье
Начнем с того, что ДВС может быть двухтактным и четырехтактным. Что касается автомобильных моторов, указанные агрегаты четырехтактные. Такты работы двигателя представляют собой:
- впуск топливно-воздушной смеси или воздуха (что зависит от типа ДВС);
- сжатие смеси горючего и воздуха;
- сгорание топливного заряда и рабочий ход;
- выпуск из камеры сгорания отработавших газов;
По такому принципу работают как бензиновые, так и дизельные поршневые моторы, которые нашли широкое применение в автомобилях и на другой технике. Также стоит упомянуть и агрегаты на газу, в которых газовое топливо сжигается аналогично дизтопливу или бензину.
Что касается поршневых бензиновых моторов, такие двигатели имеют систему зажигания для воспламенения рабочей смеси от искры. Системы питания в таких агрегатах могут быть карбюраторными или инжекторными (впрысковыми).
Приготовление рабочей смеси в карбюраторных ДВС происходит в карбюраторе, далее смешанный бензин и воздух подаются во впускной коллектор. Сегодня такие системы считаются устаревшими, так как не способны обеспечить двигателю должную экологичность и экономичность.
Впрысковые ДВС по типу конструкции системы питания бывают моноинжекторными (моновпрыск) или системами с распределенным впрыском. В первом случае схема предполагает наличие только одной форсунки, которая впрыскивает горючее во впускной коллектор. Решения с распределенным впрыском имеют отдельную форсунку на каждый цилиндр, которая установлена рядом с впускными клапанами.
Дальнейшее развитие систем топливоподачи привело к появлению моторов с прямым (непосредственным) впрыском. Главным их отличием от предшественников является то, что воздух и топливо подается в камеру сгорания отдельно. Другими словами, форсунка устанавливается не над впускными клапанами, а монтируется прямо в цилиндр.
Подобное решение позволяет подавать топливо напрямую, причем сама подача разделена на несколько этапов (подвпрысков). В результате удается добиться максимально эффективного и полноценного сгорания топливного заряда, двигатель получает возможность работать на бедной смеси (например, моторы семейства GDI), падает расход топлива, снижается токсичность выхлопа и т.д.
Дизельный двигатель работает на дизтопливе, а также в значительной мере отличается от бензинового. Основное отличие заключается в отсутствии искровой системы зажигания. Воспламенение смеси топлива и воздуха в дизеле происходит от сжатия.
Если просто, сначала в цилиндрах сжимается воздух, который сильно нагревается. В последний момент происходит впрыск солярки прямо в камеру сгорания, после чего нагретая и сильно сжатая смесь воспламеняется самостоятельно.
Однако в списке минусов таких агрегатов можно выделить чувствительную топливную систему, а также больший вес и меньшие скорости в режиме максимальных оборотов. Дело в том, что дизель изначально «тихоходный» и имеет меньшую частоту вращения коленчатого вала по сравнению с бензиновыми ДВС.
Дизели также отличаются большей массой, так как особенности воспламенения от сжатия предполагают более серьезные нагрузки на все элементы такого агрегата. Другими словами, детали в дизельном моторе более прочные и тяжелые. Также дизельные моторы более шумные, что обусловлено процессом воспламенения и сгорания дизельного топлива.
Двигатель Ванкеля (роторно-поршневой двигатель) представляет собой принципиально иную силовую установку. В таком ДВС привычные поршни, которые совершают возвратно-поступательные движения в цилиндре, попросту отсутствуют. Главным элементом роторного мотора является ротор.
Указанный ротор вращается по заданной траектории. Роторные ДВС бензиновые, так как подобная конструкция не способна обеспечить высокую степень сжатия рабочей смеси.
Если говорить о минусах, то стоит выделить заметно сниженный ресурс сравнительно с поршневыми агрегатами, а также высокий расход топлива. Также роторный двигатель отличается повышенной токсичностью, то есть не совсем вписывается в современные экологические стандарты.
Гибридный силовой агрегат фактически является сочетанием поршневого бензинового или дизельного ДВС и электромотора. Также в конструкции присутствует тяговая аккумуляторная батарея, которая питает электродвигатель.
Также во время работы гибридной установки активно используется схема рекуперации энергии. Например, во время торможения двигателем работает генератор, который подзаряжает тяговый аккумулятор. Такое сочетание двух типов силовых установок позволяет получить улучшение разгонной динамики (особенно когда одновременно задействован ДВС и электромотор), наблюдается существенная экономия топлива и малый выброс токсичного выхлопа.
Еще стоит добавить, что существуют многочисленные разновидности двигателей внутреннего сгорания, которые отличаются друг от друга по компоновке и расположению цилиндров.
Дело в том, что пространство в моторном отсеке ограничено, при этом на разных автомобилях возникает необходимость уместить в таком пространстве агрегат с тем или иным количеством цилиндров.
Как правило, по компоновке на большинстве машин чаще всего можно встретить:
- рядный двигатель;
- V-образный мотор;
- оппозитный двигатель;
Рядный двигатель означает, что все его цилиндры расположены в одной плоскости. Рядные «четверки» (4-х цилиндровый мотор) являются самым распространенным типом ДВС. Рядные «шестерки» также весьма популярны, они меньше вибрируют, имеют приемлемую мощность, однако такой двигатель получается достаточно длинным.
Еще одним вариантом является V-образный двигатель. Цилиндры в таком моторе располагаются в двух плоскостях, напоминая литеру «V». Подобный ДВС имеет 6 или 8 цилиндров (V6 или V8), при этом длина двигателя сравнительно с рядным мотором меньше, хотя ширина закономерно увеличивается. Еще добавим, что угол между плоскостями принято называть углом развала.
Добавим, что существуют так называемые двигатели типа VR. Их особенностью является малый угол развала, позволяя уменьшить размеры ДВС в длину и ширину. Также стоит упомянуть мощные W-двигатели. Указанные силовые агрегаты многоцилиндровые (например, W12) Что касается компоновки, конструкция может включать в себя сразу три ряда цилиндров, которые расположены под большим углом развала.
Еще одним вариантом является расположение тех же трех рядов цилиндров, при этом угол развала максимально уменьшен (как и в случае с VR-компоновкой). Как правило, именно последний вариант прижился на мощных легковых авто класса «премиум», спорткарах и солидных внедорожниках. Дело в том, что даже при таком количестве цилиндров двигатель все равно отличается компактностью.
Двигатели внутреннего сгорания также имеют целый ряд характеристик и параметров, которые закладываются конструктивно. Если просто, речь идет о рабочем объеме, степени сжатия, мощности и крутящем моменте и т.д.
Естественно, чем большим окажется показатель крутящего момента, тем большей будет тяга. Другими словами, от данного показателя зависит разгонная динамика. Что касается мощности двигателя, это величина, которая отображает произведенную работу за единицу времени.
Увеличение крутящего момента и мощности возможно посредством двух способов:
- больший рабочий объем;
- сжигание большего количества топливно-воздушной смеси;
Если просто, в первом случае речь идет о физическом увеличении камеры сгорания и объема цилиндров. Во втором подразумевается принудительная подача воздуха в цилиндры под давлением для сжигания большего количества топлива.
Как правило, мощные двигатели с большим объемом атмосферные, то есть «засасывают» наружный воздух в цилиндры самостоятельно благодаря возникающему разрежению от движения поршней. Мощные агрегаты, при этом обладающие меньшим объемом, оснащаются механическими компрессорами или турбонаддувом. В таких ДВС воздух нагнетается принудительно, то есть поступает в камеру сгорания под давлением.
Как видно, приведенный выше материал дает общее представление о том, какие есть двигатели внутреннего сгорания. При этом даже с учетом общего принципа действия, силовые агрегаты могут значительно отличаться по таким показателям, как компоновка, мощность, крутящий момент, расход горючего и т.д.
Более того, даже двигатели, схожие по конструкции (например, рядный четырехцилиндровый мотор), могут иметь разное количество впускных и выпускных клапанов на один цилиндр (например, 8-и и 16-клапанные моторы).
По этой причине для объективной оценки производительности того или иного двигателя на разных оборотах, причем не на коленвалу, а на колесах, необходимо проводить специальные комплексные замеры на динамометрическом стенде.
Усовершенствание конструкции поршневого двигателя, отказ от КШМ: бесшатунный двигатель, а также двигатель без коленвала. Особенности и перспективы.
Моторы линейки TSI. Конструктивные особенности, преимущества и недостатки. Модификации с одним и двумя нагнетателями. Рекомендации по эксплуатации.
Конструктивные особенности двигателей GDI с непосредственным впрыском от моторов с распределенным впрыском топлива. Режимы работы, неисправности GDI.
Дизельный мотор TDI. Отличительные особенности двигателя данного типа. Преимущества и недостатки, ресурс, особенности турбонаддува. советы по эксплуатации.
Двигатель семейства FSI: отличия, особенности, плюсы и минусы силового агрегата данного типа. Распространенные проблемы двигателей FSI, обслуживание мотора.
Линейка дизельных двигателей CRDi Hyundai/KIA: сильные и слабые стороны моторов данного типа, особенности эксплуатации, ремонта и обслуживания.
Автомобильные поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) обладают множеством показателей – мощность, крутящий момент, расход топлива, выброс вредных веществ и т. д., которые во многом зависят от их конструктивных параметров. Типы двигателей Двигатель - устройство, преобразующее энергию сгорания топлива в механическую работу. Практически все автомобильные двигатели работают по циклу, состоящему из четырех тактов: впуск воздуха или его смеси с топливом; сжатие рабочей смеси, рабочий ход при сгорании рабочей смеси; выпуск отработавших газов. Наибольшее распространение в автомобилях получили поршневые двигатели - бензиновые и дизели. Бензиновые двигатели имеют принудительное зажигание топливо-воздушной смеси искровыми свечами. Различаются по типу системы питания: в карбюраторных смешение бензина с воздухом начинается в карбюраторе и продолжается во впускном трубопроводе. В настоящее время выпуск таких двигателей снижается из-за низкой экономичности и несоответствия современным экологическим нормам; в впрысковых двигателях топливо может подаваться одним инжектором (форсункой) в общий впускной трубопровод (центральный, моновпрыск) или несколькими инжекторами перед впускными клапанами каждого цилиндра (распределенный впрыск). В них возможно некоторое увеличение максимальной мощности и снижение расхода бензина и токсичности отработавших газов за счет более точной дозировки топлива электронной системой управления двигателем; двигатели с непосредственным впрыскиванием бензина в камеру сгорания, который подается в цилиндр несколькими порциями, что оптимизирует процесс сгорания, позволяет двигателю работать на обедненных смесях, соответственно уменьшается расход топлива и выброс вредных веществ. Дизельный двигатель - двигатели, в которых воспламенение смеси топлива с воздухом происходит от повышения ее температуры при сжатии. По сравнению с бензиновыми эти двигатели обладают лучшей экономичностью (на 15-20%) благодаря большей (в два и более раз) степени сжатия (см. ниже), улучшающей процессы горения топливо-воздушной смеси. Достоинством дизелей является отсутствие дроссельной заслонки, которая создает сопротивление движению воздуха на впуске и увеличивает расход топлива. Максимальный крутящий момент (см. ниже) дизели развивают на меньшей частоте вращения коленчатого вала (в обиходе - "тяговиты на низах"). Дизели устаревших конструкций обладали по сравнению с бензиновыми двигателями и рядом недостатков: большей массой и стоимостью при одинаковой мощности из-за высокой степени сжатия (в 1,5-2 раза больше), увеличивавшей давление в цилиндрах и нагрузки на детали, что заставляло изготавливать более прочные элементы двигателя, увеличивая их габариты и вес; большей шумностью из-за особенностей процесса горения топлива в цилиндрах; меньшими максимальными оборотами коленвала из-за более высокой массы деталей, вызывавшей большие инерционные нагрузки. По этой же причине дизели, как правило, менее приемисты - медленнее набирают обороты. Роторно-поршневой двигатель (Ванкеля) - в нем ротор-поршень совершает не возвратно-поступательное движение, как в бензиновых двигателях и дизелях, а вращается по определенной траектории. Благодаря этому он обладает хорошей приемистостью - быстро набирает обороты, обеспечивая автомобилю хорошую динамику разгона. Из-за конструктивных особенностей степень сжатия ограничена, поэтому работает только на бензине и обладает худшей экономичностью из-за формы камеры сгорания. Раньше его недостатком был меньший ресурс, а теперь и невысокие экологические показатели, которым сейчас уделяется большое внимание. Гибридная силовая установка представляет собой комбинацию поршневого двигателя (как правило, дизеля), электродвигателя, генератора и тяговых (тяговая аккумуляторная батарея, в отличие от стартерной, рассчитана на разряд большими токами (50-100 А) в течение 30-60 минут) аккумуляторных батарей. Работа этой установки происходит в различных режимах в зависимости от характера движения автомобиля. При интенсивном разгоне вместе работают поршневой и электрический двигатели. Во время торможения двигателем за счет энергии замедления генератор заряжает аккумуляторные батареи. При движении в городском цикле может работать только электродвигатель. Все это позволяет, сохраняя (или даже улучшая) динамику разгона, значительно повысить экономичность и снизить выброс вредных веществ.
Компоновка поршневых двигателей
Значительное разнообразие компоновок поршневых двигателей связано с их размещением в автомобиле и необходимостью уместить определенное количество цилиндров в ограниченном объеме моторного отсека. Рядный двигатель (рис. 1, а) - компоновка, при которой все цилиндры находятся в одной плоскости. Применяется для небольшого количества цилиндров (2, 3, 4, 5 и 6). Рядный шестицилиндровый двигатель легче всего поддается уравновешиванию (снижению вибраций), но обладает значительной длиной.
V-образный двигатель (рис. 1, б) - цилиндры у него расположены в двух плоскостях, как бы образуя латинскую букву V. Угол между этими плоскостями называют углом развала. Наиболее часто такое размещение цилиндров применяется для шести- и восьмицилиндровых двигателей и обозначается V6 и V8 соответственно. Такая компоновка позволяет уменьшить длину двигателя, но увеличивает его ширину.
Оппозитный двигатель (рис. 1, в) имеет угол развала 180°, благодаря этому у него высота агрегата наименьшая среди всех компоновок.
VR-двигатель (рис. 1, г) обладает небольшим углом развала (порядка 15°), что позволяет уменьшить как продольный, так и поперечный размеры агрегата.
W-двигатель имеет два варианта компоновки - три ряда цилиндров с большим углом развала (рис. 1, д) или как бы две VR-компоновки (рис. 1, е).Обеспечивает хорошую компактность даже при большом количестве цилиндров. В настоящее время серийно выпускают W8 и W12.
Крутящий момент увеличивается с ростом: рабочего объема. Поэтому двигатели, которым необходим значительный крутящий момент, обладают большим объемом; давления горящих газов в цилиндрах, которое ограничено детонацией (взрывное горение бензо-воздушной смеси, сопровождаемое характерным звонким звуком. Ошибочно называется "стуком поршневых пальцев") или ростом нагрузок в дизелях. Максимальный крутящий момент двигатель развивает при определенных оборотах (см. ниже), они вместе с его величиной указываются в технической документации. Мощность двигателя - величина, показывающая, какую работу он совершает в единицу времени, измеряется в кВт (ранее в лошадиных силах). Одна лошадиная сила (л.с.) приблизительно равняется 0,74 кВт. Мощность равна произведению крутящего момента на угловую скорость коленвала (число оборотов в минуту, умноженное на определенный коэффициент). Двигатели большей мощности производители получают увеличением: рабочего объема, что, в свою очередь, приводит к росту габаритов двигателя и ограничению допустимых максимальных оборотов из-за значительных сил инерции увеличившихся деталей; оборотов коленчатого вала, число которых ограничено инерционными силами и увеличением износа деталей. Высокооборотный двигатель одинаковой мощности (при прочих равных условиях - конструкции двигателя, технологии изготовления, применяемых материалах и т.д.) с низкооборотным обладает меньшим сроком службы, так как в среднем для одного и того же пробега его коленчатый вал будет совершать больше оборотов; давления в цилиндре путем повышения степени сжатия либо наддувом воздуха посредством турбо- или механических нагнетателей. Для применения наддува степень сжатия вынужденно уменьшают для предотвращения детонации (у бензиновых двигателей) и снижения жесткости работы (повышенные нагрузки в цилиндро-поршневой группе дизеля, сопровождаемые чрезмерным шумом) (у дизелей). Наддув позволяет, например, сохранить мощность при меньшем рабочем объеме. Номинальная мощность - гарантируемая производителем мощность при полной подаче топлива на определенных оборотах. Именно она, а не максимальная мощность, указывается в технической документации на двигатель. Удельный расход топлива - это количество топлива, расходуемого двигателем на 1 кВт развиваемой мощности за один час. Является показателем совершенства конструкции двигателя: чем расход ниже, тем более эффективно используется энергия сгорающего в цилиндрах топлива. При одних и тех же конструктивных параметрах у разных двигателей такие показатели, как мощность, крутящий момент и удельный расход топлива, могут отличаться. Это связано с такими особенностями, как количество клапанов на цилиндр, фазы газораспределения и т. п. Поэтому для оценки работы двигателя на разных оборотах используют характеристики - зависимость его показателей от режимов работы. Характеристики определяются опытным путем на специальных стендах, так как теоретически они рассчитываются лишь приблизительно. Как правило, в технической документации к автомобилю приводятся внешние скоростные характеристики двигателя (рис. 4), определяющие зависимость мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива от числа оборотов коленвала при полной подаче топлива. Они дают представление о максимальных показателях двигателя.
Показатели двигателя (упрощенно) изменяются по следующим причинам. С увеличением числа оборотов коленвала растет крутящий момент благодаря тому, что в цилиндры поступает больше топлива. Примерно на средних оборотах он достигает своего максимума, а затем начинает снижаться. Это происходит из-за того, что с увеличением скорости вращения коленвала начинают играть существенную роль инерционные силы, силы трения, аэродинамическое сопротивление впускных трубопроводов, ухудшающее наполнение цилиндров свежим зарядом топливо-воздушной смеси, и т. п. Быстрый рост крутящего момента двигателя указывает на хорошую динамику разгона автомобиля благодаря интенсивному увеличению силы тяги на колесах. Чем дольше величина момента находится в районе своего максимума и не снижается, тем лучше. Такой двигатель более приспособлен к изменению дорожных условий и реже придется переключать передачи. Мощность растет вместе с крутящим моментом и даже, когда он начинает снижаться, продолжает увеличиваться благодаря повышению оборотов. После достижения максимума мощность начинает снижаться по той же причине, по которой уменьшается крутящий момент. Обороты несколько выше максимальной мощности ограничивают регулирующими устройствами, так как в этом режиме значительная часть топлива расходуется не на совершение полезной работы, а на преодоление сил инерции и трения в двигателе. Максимальная мощность определяет максимальную скорость автомобиля. В этом режиме автомобиль не разгоняется и двигатель работает только на преодоление сил сопротивления движению - сопротивления воздуха, сопротивления качению и т. п. Величина удельного расхода топлива также меняется в зависимости от оборотов коленвала, что видно на характеристике (см. рис. 4). Удельный расход топлива должен находиться как можно дольше вблизи минимума; это указывает на хорошую экономичность двигателя. Минимальный удельный расход, как правило, достигается чуть ниже средних оборотов, на которых в основном и эксплуатируется автомобиль при движении в городе. Пунктирной линией на графике показаны более оптимальные характеристики двигателя.
19.04.2016
Современные легковые автомобили различаются не только функциональным, но и техническим наполнением. Производители соревнуются друг перед другом в качестве и надежности моделей, стараясь предоставить клиентам надежный, управляемый и доступный по цене продукт. С момента зарождения автомобилестроения серьезных изменений познала одна из главных составляющих - двигатель автомобиля. Какие же виды моторов сегодня бывают? В чем особенности существующих типов двигателей легковых автомобилей?
Классификации
Первое, с чего стоит начать - общей классификации двигателей легковых автомобилей, которая дает общее представление о конструкциях и особенностях этих узлов.
Все моторы по типу смесеобразования можно разбить на две основные группы:
В основе классификации поршневых моторов внутреннего сгорания лежит тип топлива, который применяется для работы силового узла:
- Газ. В случае с применением газообразного топлива может применяться газ генераторного, сжиженного или природного типа.
- Жидкое горючее. Такое топливо является продуктом переработки нефтяных продуктов, в результате чего образуется дизельное топливо, керосин или бензин.
- Смешанный вид топлива. Газожидкостные моторы способны работать на смеси различных типов горючего - жидкого и газообразного. При этом в основе лежит именно газ, а жидкая форма горючего применяется только в роли зажигательной смеси. Существуют и многотопливные моторы, которые могут длительное время функционировать с применением различных типов топлива, начиная от сырой нефти и заканчивая бензином с высоким октановым числом.
Если классифицировать моторы внутреннего сгорания, то они различаются по ряду признаков:
- По особенностям зажигания подготовленной горючей смеси - с зажиганием от силы сжатия или с зажиганием от свечи (принудительное воспламенение).
- По типу реализации рабочего цикла - с 2-мя и 4-мя тактами, с наддувом или без него.
Кроме этого, ДВС классифицируются по ряду типов:
- По особенностям системы охлаждения (может быть воздушным или жидкостным).
- По типу образования смеси - с внутренним и внешним образованием горючей смеси. К первому типу относятся бензиновые моторы с впрыском смеси в цилиндр и дизельные агрегаты, а ко второму - моторы на газу и карбюраторные типы.
- По позиции цилиндров - оппозитные, с V-образным расположением (2-рядные), с вертикальным и горизонтальным положением.
Бензиновый и дизельный мотор
Наибольшее распространение в автомобилестроении получили два типа мотора (по типу применяемого топлива) - бензиновый и дизельный. Именно им стоит уделить наибольшее внимание:
1. Бензиновый силовой агрегат. В двигателе, который работает на бензине, подразумевается воспламенение смеси с помощью обычной искры. Бензиновые моторы можно классифицировать по типу питания:
- Карбюраторный мотор. Особенность таких агрегатов в том, что смешивание воздуха и топлива происходит в карбюраторе, а далее процесс продолжается уже в трубопроводе впуска. Главные минусы такого типа - низкий уровень экологичности, чрезмерная «прожорливость», меньший уровень надежности (в сравнении с другими типами мотора). Именно по этим причинам такие типы силовых агрегатов потеряли свою популярность и почти не выпускаются;
- Впрысковый мотор. Здесь главным элементом является инжектор, подающий горючую смесь через главный трубопровод (прямой тип впрыска). Топливо может подаваться одним или несколькими форсунками, установленными перед клапанами. В последнем случае речь идет о распределительном впрыске, управляемом ЭБУ;
- Силовой узел с непосредственным впрыском. Особенность такого агрегата в том, что подача горючей смеси осуществляется прямо в камеру сгорания. Благодаря такой конструкции, удалось решить сразу две проблемы - устранить вредные вещества из выхлопа и уменьшить потребление топлива.
2. Дизельный силовой агрегат. Главная особенность, которая выделяет «дизели» - способность воспламенять горючую смесь не за счет образуемой свечи, а благодаря мощному сжатию. Если рассматривать принцип действия дизеля, то можно выделить четыре такта, в каждом из которых происходят определенные действия:
- Сжатие. В этом случае поршень идет вверх и сжимает расположенный внутри воздух. В пиковый момент внутрь камеры сгорания происходит выброс дизельного горючего;
- Рабочих ход. Наличие огромного давления и воздуха способствует воспламенению смеси. Теперь создается обратное давление газов, которое выталкивает поршень и заставляет опускаться его в нижнюю точку;
- Выпуск. Поршень начинает движение вверх. Одновременно с этим открываются выпускные клапана, обеспечивающие выход из камеры сгорания лишних продуктов сгоревшего топлива.
Все дизельные моторы можно классифицировать и по типу камеры сгорания. Последняя бывает распределенной или нераспределенной. В первом случае горючая смесь подается сначала в дополнительную, а уже потом в основную камеру. Такой тип исполнения позволяет добиться большей экономии топлива. Что касается моторов с нераспределенной камерой, то их особенность - в расположении камеры и подаче дизельного горючего в пространство над поршнем. Плюс - экономичность. Минус - высокий уровень шума.
Бензиновый и дизельный мотор: особенности
- Дизельное топливо обходится дешевле бензина;
- Потребление дизеля ниже, что и обуславливает дополнительную экономию. Если брать современные модели авто, то потребление дизельных моторов может быть на 50-60% ниже, что экономит средства в кошельке;
- Ресурс силового агрегата, который работает на дизеле, выше, чем у его собрата.
Нельзя не отметить и ряд минусов - дороговизна дизельного мотора и сложность обслуживания.
2. Момент вращения. Если рассматривать крутящий момент, как ключевую характеристику, то здесь в лидерах дизель. Эта особенность хороша не только для легковушек, но и для грузовых авто. Именно высокий момент вращения способствует быстрому троганию транспорта и успешному маневрированию при большой нагрузке и небольших скоростях.
3. Эксплуатация. Не менее важный момент - удобство использования автомобиля с тем или иным мотором. Здесь стоит выделить главный недостаток дизеля - необходимость переходить на зимний тип топливной смеси. Если своевременно не осуществить переход, то вместо жидкости в баке можно увидеть затвердевшую смесь. В итоге придется не только греть машину, но и ремонтировать многие элементы топливной системы.
5. Шум. Если анализировать уровень шума, то здесь впереди бензиновый силовой агрегат. Многим автолюбителя не нравится раздражающий «дизельный» стук. С другой стороны, повышенный шум будет иметь место лишь при неправильной настройке. Кроме этого, производители делают все возможное, чтобы уровни шума бензиновых и дизельных моторов почти не различались.
6. Экологическая составляющая. Не менее важный момент - экологичность двигателя (особенно сегодня). Современные моторы выпускают в окружающую среду меньший объем окиси углерода, являющегося главным загрязнителем атмосферы. К сожалению, на дорогах пока много автомобилей, имеющих высокий уровень вредных элементов в выбросе, и загрязняющих окружающую среду. В плане экологичности лидером является бензиновый мотор, ведь здесь конструкторам удалось создать множество типов узлов, улучшающих состав выхлопных газов и снижающих их уровень вреда.
7. Пожароопасность. С позиции вероятности воспламенения более безопасным считается дизель, ведь его топливо загорается лишь при смешивании и кислородом и под высоким давлением. Что касается бензина, то он летуч, а его пары могут воспламениться от малейшей искры.
Основные схемы
При рассмотрении типов двигателей для легковых автомобилей нельзя пропустить тему конструктивной особенности агрегата. Здесь более чем за сотню лет ученым удалось создать множество вариантов моторов, отличающихся не только числом, но и расположением цилиндров. Из основных схем двигателей легковых авто стоит выделить:
- Рядный мотор. Этот тип силового агрегата появился первым. Число цилиндров в таких двигателя может различаться и бывает от двух до восьми. Для легковых машин больше характерны 4-цилидровые моторы. Некоторые производители предпочитают устанавливать «шестерки» из-за лучшей балансировки. Что касается 8-цилиндровых моторов, то они уже не пользуются спросом. Преимущества рядного типа мотора - простота в эксплуатации и надежность. Расположение силового агрегата (несмотря на массивность) может быть различным - поперек или вдоль. Собственно, размеры и повышенная масса являются главными минусами этого мотора. В противовес стоит выделить уравновешенность.
- Мотор V-образного типа. Особенность таких моторов - расположение цилиндров в виде буквы V. Подобная конструкция была разработана в «Старом свете» и там нашла применение во многих моделях автомобилей. Сегодня V-образные моторы в большей части устанавливаются на машинах производства США. Главные плюсы таких двигателей - компактность и особое расположение цилиндров (под углом друг к другу). Минусы конструкции - чрезмерная «прозорливость» и низкий уровень уравновешенности. Да и высокую стоимость сложно отнести к преимуществам.
- Оппозитные моторы. Однажды конструкторы разработали горизонтальный тип мотора, который позволил опустить центр тяжести и улучшить развесовку транспортного средства. Количество цилиндров - четыре. Несмотря на ряд плюсов, оппозитные моторы встречаются редко. Главный минус - большие габариты и сложность конструкции. Автолюбители часто жалуются и на дороговизну ремонтных работ.
Есть ли альтернатива?
Кроме описанных выше моторов (бензиновых и дизельных) стоит выделить еще два типа:
- Роторно-поршенвой мотор. Главное отличие в том, что поршень осуществляет не поступательные движения (как это происходит обычно), а вращается по определенной траектории. Благодаря такой особенности, роторно-поршневой двигатель быстрее набирает обороты. Нельзя не выделить и ряд минусов - небольшой ресурс, высокая цена, плохие параметры экологии.
- «Гибриды». Все большим спросом пользуются гибридные силовые установки, в составе которых находится электромотор, поршневой силовой агрегат, генератор и АКБ. В зависимости от особенностей эксплуатации, режим работы «гибрида» может быть различным. Так, при активном разгоне электрический и поршневой мотор работают в паре. Во время торможения осуществляется подзаряд АКБ, а в режиме города работает лишь электрический мотор.
Итоги
Сегодня разработано множество разных типов двигателей для легковых автомобилей, каждый из которых имеет особенности, минусы и плюсы. При этом практика применения и действующие требования способствуют выбору только лучших вариантов, которые и применяются на современном транспорте.
ДВС - это двигатель, работающий по принципу сжигания различного топлива непосредственно внутри самого агрегата. В отличие от двигателей другого типа, ДВС лишены: любых элементов передающих тепло для дальнейшего преобразования в механическую энергию, преобразование происходит непосредственно от сгорания топлива; значительно компактнее; имеют малый вес относительно агрегатов другого типа со сравнимой мощностью; требуют использования определенного топлива с жесткими характеристиками температуры горения, степени испаряемости, октановым числом и т. д.
В автомобилестроении применяются четырехтактные моторы:
1. Впуск;
2. Сжатие;
3. Рабочий ход;
4.
Выпуск.
Но существуют и двухтактные версии двигателей внутреннего сгорания, но в современном мире, они имеют ограниченное применение.
В данной статье будут рассмотрены только моторы, устанавливающиеся на автомобили.
Разновидности двигателей по использующемуся топливу
Бензиновые моторы, как понятно из названия используют в качестве топлива для работы - бензин с различным октановым числом, и имеют систему принудительного поджига топливной смеси при помощи электрической искры.Могут разделяться по типу впуска на карбюраторные и инжекторные. Карбюраторные моторы уже пропадают из производства из-за сложности в точной настройке, высокого потребления бензина, неэффективности смешивания топливной смеси и несоответствия современным жестким экологическим требованиям. В таких моторах, смешивание горючей смеси начинается в камерах карбюратора и заканчивается по пути во впускном коллекторе.
.jpg)
Инжекторные агрегаты развиваются большими темпами, и система впрыска топлива улучшается с каждым поколением. Первые инжектора имели «моновпрыск» с единственной форсункой. По сути, это была модернизация карбюраторных моторов. Со временем, на большинстве агрегатов, начали использоваться системы с отдельными форсунками на каждый цилиндр. Использование форсунок в системе впуска, позволило точнее контролировать пропорции топлива и воздуха в разных режимах работы агрегата, снизить расход топлива, увеличить качество топливной смеси, увеличить мощность и экологичность силовых агрегатов.
Современные форсунки, устанавливающиеся на силовые агрегаты с системой непосредственного впрыска топлива в цилиндры, способны производить несколько отдельных впрысков топлива за один такт. Это позволяет еще улучшить качество топливной смеси и добиваться максимальной отдачи энергии от используемого количества бензина. То есть, еще больше увеличилась экономия и производительность моторов.
.jpg)
Дизельные агрегаты - используют принцип воспламенения смеси дизельного топлива и воздуха при нагреве от сильного сжатия. При этом, в дизельных агрегатах не используются системы принудительного поджига. Данные моторы имеют ряд преимуществ перед бензиновыми, в первую очередь - это экономность топлива (до 20%), при сравнительной мощности. Топливо меньше расходуется из-за большей степени сжатия в цилиндрах, что улучшает характеристики горения и отдачи энергии топливной смеси, а следовательно, и топлива необходимо меньшее количество для достижения таких же результатов. Кроме этого, дизельные агрегаты не используют дроссельные заслонки, что улучшает поступление воздуха в силовой агрегат, что еще уменьшает расход топлива. Дизеля развивают больший крутящий момент, и на более низких оборотах коленчатого вала.
Не обошлось без недостатков. Из-за увеличенной нагрузки на стенки цилиндров, конструкторам пришлось использовать более надежные материалы, и увеличивать размеры конструкции (увеличение веса и удорожание производства). Кроме этого, работа дизельного силового агрегата - громкая из-за особенностей воспламенения топлива. А увеличенная масса деталей не позволяет мотору развивать высокие обороты с такой же скоростью, как и бензиновые, и максимальное значение оборотов коленчатого вала - ниже, чем у бензиновых агрегатов.
Разновидность ДВС по конструкции
Гибридный силовой агрегат
Данный тип автомобиля начала набирать популярность в последние года. Благодаря своей эффективности экономии топлива и увеличению общей мощности автомобиля благодаря комбинированию двух типов агрегатов. По сути, данная конструкция представляет собой два отдельных агрегата - небольшой ДВС (чаще всего дизельный) и электромотор (или несколько электромоторов) с аккумуляторной батареей большой емкости..jpg)
Преимущества комбинирования выражаются в способности совмещать энергию двух агрегатов при разгоне, или использование каждого типа двигателя по отдельности, в зависимости от необходимости. К примеру, при движении в городской пробке - может работать только электродвигатель, экономя дизельное топливо. При движении по загородным дорогам, работает ДВС, как более выносливый, мощный и с большим запасом хода агрегат.
При этом, специальная батарея для электромоторов, способна подзарядиться от генератора, или используя систему рекуперации при торможении, что позволяет экономить не только топливо, но и электричество, необходимое для зарядки батареи.
Роторно-поршневой мотор
Роторно-поршневой мотор построен по уникальной схеме движения поршня-ротора, который перемещается внутри цилиндра не по возвратно-поступательной траектории, а вокруг своей оси. Это осуществляется благодаря особой треугольной конструкции поршня и особенному расположению впускных и выпускных отверстий в цилиндре..jpg)
Благодаря такой конструкции, двигатель быстро набирает обороты, что увеличивает динамические характеристики автомобиля. Но с развитием классической конструкции ДВС, двигателя Ванкеля начали терять свою актуальность из-за конструктивных ограничений. Принцип движения поршня не позволяет добиться большой степени сжатия топливной смеси, что исключает использование дизельного топлива. А малый ресурс, сложность обслуживания и ремонта, а также - слабые экологические показатели не позволяют автопроизводителям развивать данное направление.
Разновидности силовых агрегатов по компоновке
Из-за необходимости уменьшения веса и габаритов, а также, размещения большего числа поршней в одном агрегате привело к появлению разновидностей моторов по компоновке.Рядные моторы
.jpg)
Рядный двигатель - это самый классический вариант силового агрегата. В котором все поршни и цилиндры располагаются в один ряд. При этом, современные моторы с рядной компоновкой вмещают в себе не более шести цилиндров. Но именно шестицилиндровые рядные двигатели, имеют наилучшие показатели по уравновешиванию вибрации при работе. Единственный минус - это значительная длина мотора, относительно других компоновок.
V-образные моторы
.jpg)
Данные моторы появились в следствии желания конструкторов уменьшить габариты двигателей, и необходимости разместить более шести поршней в одном блоке. В данных моторах, цилиндры находятся в разных плоскостях. Визуально, расположение цилиндров образует букву «V», откуда и пошло название. Угол между двумя рядами называется углом развала, и варьируется в широком диапазоне, разделяя данный тип моторов на подгруппы.
Оппозитные моторы
.jpg)
Оппозитные двигателя, получили максимальный угол развала в 180 градусов. Что позволило конструкторам снизить высоту агрегата до минимальных размеров, и распределить нагрузку на коленчатый вал, увеличивая его ресурс.
VR моторы
.jpg)
Это комбинация свойств рядных и V-образных агрегатов. Угол развала в таких двигателях достигает 15 градусов, что позволяет использовать одну головку блока цилиндров с единым механизмом газораспределения.
W-образные моторы
.jpg)
Одни из самых мощных и «экстремальных» конструкций ДВС. Могут иметь три ряда цилиндров с большим углом развала, или два совмещенных VR блока. На сегодняшний день, распространение получили моторы на восемь и двенадцать цилиндров, но конструкция позволяет использовать и большее количество цилиндров.
Характеристики двигателя внутреннего сгорания
Просмотрев множество информации про различные автомобили, любой интересующийся человек, увидит определенные основные параметры мотора:Мощность силового агрегата, измеряющуюся в л.с. (или кВт*ч);
Максимальный крутящий момент развиваемый силовым агрегатом, измеряющийся в Н/м;
Большинство автолюбителей, разделяют силовые агрегаты, только по мощности. Но данное разделение не совсем верное. Безусловно, агрегат в 200 «лошадей», предпочтительнее двигателя в 100 «лошадей» на тяжелом кроссовере. А для легкого городского хэтчбека, хватит и 100 сильного мотора. Но есть некоторые нюансы.
Максимальная мощность, указанная в технической документации, достигается при определенных оборотах коленвала. Но используя автомобиль в городских условиях, водитель редко раскручивает мотор выше 2 500 оборотов в минуту. Поэтому, большее время эксплуатации машины, задействована только часть потенциальной мощности.
Но, часто, бывают случаи на дороге. Когда необходимо резко увеличить скорость для обгона, или для ухода от аварийной ситуации. Именно максимальный крутящий момент влияет на способность агрегата быстро набрать требуемые обороты и мощность. Если сказать проще, крутящий момент влияет на динамику автомобиля.
Стоит отметить небольшую разницу между бензиновыми и дизельными моторами. Двигатель работающий на бензине - выдает максимальный крутящий момент при оборотах коленчатого вала от 3 500 до 6 000 в минуту, а дизельные моторы могут достигать максимальных параметров при более низких оборотах. Поэтому, многим кажется. Что дизельные агрегаты мощнее и лучше «тянут». Но, большинство самых мощных агрегатов используют бензиновое топливо, так как они способны развить большее число оборотов в минуту.
.jpg)
А для подробного понимания термина крутящий момент, следует посмотреть на единицы его измерения: Ньютоны умноженные на метры. Другими словами, крутящий момент определяет силу, с которой поршень давит на коленчатый вал, а тот в свою очередь передает мощность на коробку передач, и в конечном итоге - на колеса.
Также, можно упомянуть про мощную технику, у которой максимальный крутящий момент может достигаться при оборотах в 1 500 в минуту. В основном - это трактора, мощные самосвалы, и некоторые дизельные вездеходы. Естественно, таким машинам нет необходимости раскручивать мотор до максимальных значений оборотов.
.jpg)
Основываясь на приведенной информации, можно сделать вывод, что крутящий момент зависит от объема силового агрегата, его габаритов, размеров деталей и их веса. Чем тяжелее все эти элементы, тем более преобладает крутящий момент на низких оборотах. Дизельные агрегаты имеют больший крутящий момент и меньшие обороты коленчатого вала (большая инертность тяжелого коленвала и других элементов не позволяют развивать больших оборотов).
Мощность автомобильного двигателя
Стоит признать, что мощность и крутящий момент - это взаимосвязанные параметры, зависящие друг от друга. Мощность - это определенное количество работы, произведенная мотором за время. В свою очередь, работа мотора - это крутящий момент. Поэтому, мощность характеризуется как количество крутящего момента за единицу времени.Существует известная формула, характеризующая отношение мощности и крутящего момента:
Мощность = крутящий момент * обороты в минуту / 9549
В итоге, получим значение мощности в киловаттах. Но естественно, просматривая характеристики автомобилей, нам привычнее видеть показатели в «л.с.». Для перевода киловатт в л.с. необходимо умножить получившееся значение на 1,36.
