Развитие идеи
Производством всех ДВС Отто занималась компания «Ланген, Отто и Розен», созданная в 1869 г. Отто совместно с немецкими предпринимателями Э. Лангеном и Л. Розеном. Современные четырёхтактные ДВС сохранили принципиальную схему Отто, но топливо в них поджигается искрой от электрической свечи. Для увеличения мощности ДВС повышали объём его цилиндра, чтобы большим объёмом топлива усилить мощь его расширения. Но увеличение цилиндра не могло быть бесконечным, и тогда придумали усиливать двигатель путём увеличения числа цилиндров, поршни которых крутили один рабочий вал двигателя. Первые двухцилиндровые ДВС появились в конце XIX в., а четырёхцилиндровые — в начале XX в. Сейчас встречаются шести — , восьми — и 20 — цилиндровые ДВС. Светильный газ был довольно дорогим топливом, и в Европе, и в России его производили не так много
В поисках нового вида топлива для ДВС обратили внимание на другие вещества, содержащие углеводороды — продукты нефтепереработки
Сотрудники компании Отто Г. Даймлер и В. Майбах в 1883 г. создали первый бензиновый ДВС, который в 1885 г. установили на первом мотоцикле, а в 1886 г. — на первом автомобиле.
Четырёхтактный цикл работы современного одноцилиндрового ДВС. Такт — это один ход поршня (1), т. е. прохождение поршня от крайнего верхнего положения, верхней мёртвой точки (ВМТ), до крайнего нижнего положения, нижней мёртвой точки (НМТ).
I такт. Впуск. Поршень идёт вниз, создавая в цилиндре (2) разряжение. Открывается впускной клапан (3), и под воздействием атмосферного давления из впускного трубопровода (4) в цилиндр засасывается горючая смесь — распылённый в воздухе бензин (5).
II такт. Сжатие. Впускной клапан закрывается. Поршень идёт вверх, сжимая горючую смесь (6).
III такт. Рабочий ход (расширение). Между электродами свечи зажигания (7) проскакивает электрическая искра, поджигающая смесь. Газы расширяются (8), под их давлением поршень идёт вниз и передаёт усилие через кривошипно — шатунный механизм (9) на коленчатый вал (10), проворачивая его.
IV такт. Выпуск. Поршень по инерции идёт вверх. Открывается выпускной клапан (11), и под давлением поршня отработанные газы (12) вытесняются в атмосферу.
Однако бензин при испарении плохо смешивался с воздухом, реакция при возгорании протекала неравномерно, и бензиновые ДВС, работая ненадёжно, не могли вытеснить газовые ДВС. Выход нашёл венгерский инженер Д. Банки — в 1893 г. он придумал устройство для распыления бензина в воздухе — карбюратор с жиклёром. Бензиновая взвесь, равномерно смешанная с воздухом, поступала в цилиндр, где при зажигании быстро превращалась в газовую смесь, обеспечивая хорошее протекание реакции и мощное расширение при взрыве. В России первый бензиновый двигатель с карбюратором сконструировал в 1880-х гг. О. С. Костович. В 1897 г. немецкий инженер Р Дизель придумал дизельный двигатель, в котором топливо воспламенялось не от огня или электрической искры, а от высокой температуры, которая возникает при сильном сжатии воздуха. В России производство дизельных двигателей, усовершенствованных российским инженером Г. В. Тринклером, началось в 1899 г. Эти дизели устанавливали на стационарных машинах (станках и пр.).
Поделиться ссылкой
Как работает двухтактный мотор
Выше было упомянуто, что поршневые двигатели делятся как на 4-тактные, так и на 2-тактные. Принцип работы вторых немного отличается от того, что был описан ранее. Да и само устройство такого агрегата значительно проще предыдущей конструкции. В двухтактном агрегате всего два окна в цилиндре — впускное и выпускное. Второе расположено чуть выше первого, и сейчас будет объяснено, для чего это.
Поршень при начале первого такта, до этого перекрывавший впускное окно, начинает двигаться наверх, в результате чего перекрывает собой окно впуска топлива. Поршень в это же время продолжает опускаться, что приводит к сжатию рабочей смеси. Как только деталь достигает нужного положения, на свече образуется первая искра, и созданная смесь тут же поджигается, воспламеняясь. Впускное окно к этому моменту уже открывается. Оно пропускает очередную порцию топлива и воздуха, продолжая работу механизма.
Начало второго такта характеризуется сменой направления движения поршня — он начинает перемещаться вниз. На него действуют газы, стремящиеся расширить имеющееся пространство. Поршень перемещается, открывая впускное окно, и оставшиеся после сгорания смеси газы уходят, пропуская внутрь новую порцию топлива.
Какая-то часть рабочей смеси также покидает цилиндр через открытый выпускной клапан. Поэтому становится понятным, почему двухтактные двигатели требуют такого количества топлива.
Watch this video on YouTube
Преимущества и недостатки
Преимуществом двухтактных поршневых агрегатов является достижение большой мощности при небольшом рабочем объеме, если сравнивать их с четырехтактными. Однако владелец авто будет страдать от внушительных расходов топлива, из-за чего в скором времени в его голове возникнет идея поменять агрегат.
Также плюсами двухтактных ДВС можно назвать простую конструкцию, понятную и равномерную работу, маленький вес и компактный размер. К минусам следует отнести грязный выхлоп, нехватку различных систем, а также быстрый износ деталей конструкции. Довольно часто владельцы машин с таким двигателем жалуются на перегрев агрегата и его поломку.
Виды бензиновых двигателей
Современные бензиновые двигатели можно классифицировать по нескольким категориям.
- По количеству цилиндров – с одним цилиндром, двумя цилиндрами и несколькими цилиндрами.
- По расположению цилиндров:
- рядные двигатели (цилиндры расположены строго в ряд наклонным или вертикальным способом);
- V-образные двигатели (цилиндры расположены под углом);
- W-образные двигатели (цилиндры располагаются в четыре ряда под углом с коленвалом)
- оппозитные двигатели (цилиндры расположены под углом 180 градусов)
- По способу получения топливной смеси – инжекторные, карбюраторные.
- По типу смазки — раздельные (масло находится только в картере), смешанные (масло смешивается с топливом).
- По методу охлаждения — охлаждение жидкостью, охлаждение воздухом.
- По типу циклов – двухтактные, четырехтактные.
- По типу подачи воздушной смеси в цилиндры — с наддувом, без наддува.
Преимущества бензинового двигателя:
- Проще конструкция
- Легче по весу
- Двигатель дешевле
- Возможность эксплуатации на высоких оборотах
- Проще в сервисном обслуживании
- Меньше шума
- Легче заводится при низких температурах
- Менее требователен к качеству топлива
- Более широкие возможности для переоборудования на газ
Недостатки:
- Выше пожаро- и взрывоопасность
- Более требователен к качеству масел
- Хуже тяга на низах
- Выше расход топлива с ростом нагрузки
Учитывая все особенности бензинового и дизельного двигателей можно сделать вывод, что у обоих имеются как плюсы,так и минусы. Если коротко — для легковых машин больше подойдет бензин, для внедорожников и коммерческого транспорта часто выбирают дизель. Какой двигатель вам подойдет больше — это зависит от ваших потребностей и условий эксплуатации.
Советы и рекомендации
Итак, если вы не знаете, как выбрать двигатель для автомобиля, приведенная выше информация позволяет ответить на ряд основных вопросов. Определившись с типом агрегата (бензин или дизель), необходимо также учитывать отдельные особенности того или иного ДВС.
Одной из важнейших характеристик является мощность (ее должно хватать), причем также нужно обращать внимание на то, как она достигается, путем увеличения рабочего объема и использования большого количества клапанов на цилиндр или же за счет турбонаддува. Если двигатель атмосферный, тогда ресурс такого ДВС больше, что особенно актуально при покупке авто с пробегом
По этой же причине следует помнить, что V-образные двигатели хотя и бывают атмосферными, при этом они намного сложнее рядных. Более того, ремонт и обслуживание зачастую оказывается на том же уровне или даже дороже турбомоторов. Если же говорить об оппозитных силовых агрегатах, следует учитывать их небольшую распространенность и другие сложности.
Кстати, что касается механизма газораспределения, отдельно нужно обращать внимание на то, какой привод имеет конкретный двигатель. Дело в том, что моторы бывают с цепным и ременным приводом ГРМ
Если коротко, цепь принято считать более надежным решением с увеличенным ресурсом. При этом обслуживать цепной привод все равно нужно, а производить замену цепи ГРМ, успокоителей и натяжителей цепи достаточно дорого.
Ремень конструктивно проще, стоимость обслуживания такого привода заметно дешевле цепи. Но менять его нужно чаще, параллельно следует устанавливать и новые ролики (обводной, натяжной). Если говорить о надежности, для исключения риска обрыва ремня ГРМ его нужно менять каждые 50-60 тыс. км пробега.
Однако в последнее время для удешевления конструкции и снижения веса и размеров ДВС многие автопроизводители стали устанавливать «облегченные» однорядные цепи. Это значит, что обрыв такой цепи уже через 100-120 тыс. км. вполне реален. Другими словами, каждые 100 тыс. цепь также желательно менять.
Главным плюсом цепи однозначно можно считать только то, что она редко рвется неожиданно, в отличие от ремня. При износе и ослаблении цепь сначала шумит, что и указывает водителю на необходимость обслуживания элемента. В случае с ремнем обрыв может произойти внезапно, а результатом обрыва, причем как ремня, так и цепи, обычно является то, что в двигателе гнет клапана.
Получается, при выборе того или иного двигателя необходимо учитывать, какой привод ГРМ имеет конкретный мотор. Если планируется покупка авто с пробегом от 100 тыс. км. и больше, причем силовой агрегат имеет цепь, тогда в большинстве случаев следует быть готовым к ощутимым дополнительным расходам на замену цепи.
Виды бензиновых двигателей
Современные бензиновые двигатели можно классифицировать по нескольким категориям.
- По количеству цилиндров – с одним цилиндром, двумя цилиндрами и несколькими цилиндрами.
- По расположению цилиндров:
- рядные двигатели (цилиндры расположены строго в ряд наклонным или вертикальным способом);
- V-образные двигатели (цилиндры расположены под углом);
- W-образные двигатели (цилиндры располагаются в четыре ряда под углом с коленвалом)
- оппозитные двигатели (цилиндры расположены под углом 180 градусов)
- По способу получения топливной смеси – инжекторные, карбюраторные.
- По типу смазки – раздельные (масло находится только в картере), смешанные (масло смешивается с топливом).
- По методу охлаждения – охлаждение жидкостью, охлаждение воздухом.
- По типу циклов – двухтактные, четырехтактные.
- По типу подачи воздушной смеси в цилиндры – с наддувом, без наддува.
Устройство двигателя внутреннего сгорания
Несмотря на разнообразие типов и конструкций ДВС, принцип его устройства остается практически неизменным на любой технике. Конечно, отдельные элементы конструкции могут сильно отличаться на разных двигателях, но основные узлы и компоненты очень похожи между собой.
Итак, двигатель внутреннего сгорания состоит из таких конструктивных узлов.
- Блок цилиндров (БЦ) – «оболочка» ЦПГ и всего двигателя в целом, в том числе с рубашкой системы охлаждения.
Блок цилиндров - Кривошипно-шатунный механизм, он же КШМ – узел, в котором происходит преобразование прямолинейного движения поршня во вращательное. Состоит из коленвала, поршней, шатунов, маховика, а также подшипников скольжения (вкладышей), на которые опирается коленвал и крепления шатунов.
Кривошипно-шатунный механизм: 1 — цилиндр; 2 — маховик; 3 — шатунный подшипник; 4 — коленчатый вал; 5 — колено; 6 — коренной подшипник; 7 — шатун. - Газораспределительный механизм (ГРМ) – это система подачи в цилиндры топливно-воздушной смеси и отвода выхлопных газов. Состоит из распредвалов, клапанов с коромыслами или штангами, ремня ГРМ, благодаря которому вся система работает синхронно с оборотами коленвала.
Газораспределительный механизм - Система питания – это узел, в котором происходит подготовка топливно-воздушной смеси, которая затем подается в камеры сгорания. В зависимости от конструкции система подачи топлива может быть карбюраторной (одна форсунка на двигатель), инжекторной (форсунки установлены перед впускным клапаном каждого цилиндра), с непосредственным впрыском (форсунка установлена внутри камеры сгорания). Включает в себя топливный бак с фильтром и насосом, карбюратор (опционально), впускной коллектор, форсунки, ТНВД (в дизельных двигателях), воздухозаборника с воздушным фильтром.
Система питания - Система смазки двигателя – обеспечивает подачу смазки в каждый из узлов трения, а также на участки, требующие дополнительного охлаждения (например, на нижнюю часть поршней). Состоит из масляного насоса, подключенного к коленвалу, системы трубок и каналов, выходящих на пары трения, масляного фильтра, масляного поддона. В зависимости от конструкции различаются двигатели с «сухим» и «мокрым» картером. У первых емкость для сбора моторного масла расположена отдельно, во вторых – непосредственно под двигателем.
Система смазки двигателя: 1 – масляный насос; 2 – пробка сливного отверстия картера; 3 – маслоприемник; 4 – редукционный клапан; 5 – отверстие для смазывания распределительных шестерен; 6 – датчик сигнальной лампы аварийного давления масла; 7 – датчик указателя давления масла; 8 – кран масляного радиатора; 9 – масляный радиатор; 10 – масляный фильтр. - Система зажигания – нужна для поджига топливной смеси в камере сгорания. Применяется только на бензиновых двигателях, поскольку дизтопливо воспламеняется само от сжатия. Включает в себя свечи зажигания, высоковольтные провода, катушки зажигания, а также распределитель (трамблер) на двигателях старого типа. В современных моторах система зажигания обходится без трамблера и даже без проводов: используется конструкция «катушка на свече».
Система зажигания двигателя: 1 – генератор; 2 – выключатель зажигания; 3 – распределитель зажигания; 4 – кулачок прерывателя; 5 – свечи зажигания; 6 – катушка зажигания; 7 – аккумуляторная батарея. - Система охлаждения – заботится о поддержании заданной рабочей температуры двигателя. Жидкостная система охлаждения состоит из теплоносителя (охлаждающей жидкости, антифриза), рубашки охлаждения (сеть камер и каналов внутри блока цилиндров), теплообменника (радиатор охлаждения), водяного насоса и термостата.
Система охлаждения - Электросистема – это источники энергии, необходимой для старта двигателя и поддержания его работы. К электросистеме относится аккумуляторная батарея, генератор, стартер, проводка и датчики работы двигателя.
- Выхлопная система – отводит продукты сгорания из двигателя, выполняет функцию доочистки выхлопных газов, регулирует звук работы мотора. Состоит из выпускного коллектора, катализатора и сажевого фильтра (опционально), резонатора, глушителя.
Выхлопная система
Каждая их этих частей постепенно развивается и совершенствуется в зависимости от запросов времени. Стремление к росту мощности сменилось поиском самых надежных и долговечных решений, затем на первое место вышла экономия топлива, а сегодня – забота о природе.
Компоновка двигателя, расположение мотора и количество клапанов
Если говорить о различных характеристиках, двигатели отличаются по количеству цилиндров, по расположению цилиндров, а также по самому расположению мотора в подкапотном пространстве. Например, силовые агрегаты бывают 3-х, 4-х, 5-и, 6-и, 8-и цилиндровыми и т.д.
По расположению цилиндров также выделяют рядные, V-образные, оппозитные двигатели и т.п. Силовой агрегат может быть установлен под капотом продольно или поперечно. На каждом цилиндре может быть установлено по 2, 4 и более клапанов ГРМ.
Отметим, что на общее число цилиндров следует обращать внимание только тогда, когда речь идет о выборе малолитражки. Если точнее, не так давно на городских субкомпактных автомобилях в практику вошла установка трехцилиндровых атмосферных и турбомоторов
При этом такие ДВС с тремя цилиндрами отличаются повышенным уровнем вибраций.
Во всех остальных случаях количество цилиндров в той или иной мере определяет мощность, при этом в плане вибраций не так важно, сколько их имеет конкретный мотор, 4, 5 или 6. Зачастую незначительную роль играет и особенность расположения ДВС под капотом
Единственное, на практике многие рядные двигатели с 6-ю цилиндрами, установленные продольно, отличаются повышенной склонностью к поломкам даже при незначительном перегреве сравнительно с другими аналогами.
Как правило, особого внимания заслуживает только компоновка цилиндров. Схем компоновки много, при этом наиболее распространенными являются:
- рядные двигатели;
- V-образные агрегаты;
- оппозитные моторы;
Рядный мотор из этого списка самый простой, цилиндры идут в один ряд над коленчатым валом. Такой двигатель проще обслужить и отремонтировать. Главным минусом является то, что увеличение количества цилиндров больше 6 приводит к тому, что мотор становится слишком длинным и его не удается разместить как продольно, так и поперечно в подкапотном пространстве.
Для решения этой задачи на машину ставится V-образный мотор, цилиндры распложены уже не в один, а в два ряда, причем под углом друг к другу. Такие ДВС сложнее рядных, их дороже обслуживать и ремонтировать. Достаточно вспомнить о том, что указанный тип агрегатов имеет две ГБЦ со всеми вытекающими последствиями. Еще одним минусом является относительно высокая вибронагруженность.
Оппозитные двигатели используют только некоторые автопроизводители. В частности, на таких ДВС специализируется Subaru из Японии, также их производят немцы Porsche. Оппозитный двигатель создает минимум вибраций, однако крайне сложен в обслуживании, далеко не все автосервисы могут выполнить его качественный ремонт при такой необходимости.
Теперь перейдем к клапанам. От их количества напрямую завит мощность двигателя, приемистость мотора и ряд других параметров. Чем больше клапанов, тем лучше цилиндр наполняется топливно-воздушной смесью и вентилируется от выхлопных газов. При этом увеличение числа клапанов закономерно приводит к усложнению и удорожанию всей конструкции ГРМ.
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.
Почему при покупке подержанного автомобиля стоит рассмотреть вариант с безнаддувным двигателем
Среди автомобилей, выпущенных несколько лет назад, выбор безнаддувных агрегатов шире. При покупке подержанного автомобиля с технически продвинутой силовой установкой стоит учитывать, что она потребует дополнительных затрат на обслуживание и ремонт. Нужно понимать, что дешево устранить поломки мотора с большим количеством сложного дополнительного оборудования не получится. Серьезную сумму придется выложить за замену датчиков, не говоря уже о системе фаз газораспределения.
Стоит понимать, что в первые 3 года эксплуатации или в среднем до 150 000 км пробега владелец устраняет последствия конструктивных недоработок, так называемых «детских болезней», а дальше к ним добавляются новые проблемы. Соответственно, увеличиваются и расходы на ремонт.
Выбор двигателей без наддува достаточно широк в диапазоне 1,4-2.0 литра. Такие моторы установлены под капотами автомобилей VW Group (1,4 16 В и 1,6 8 В), Opel (1,6 и 1,8 Ecotec), а также PSA (1,6 TU5 и 2,0 EW). При этом большинство моделей являются современными (выпущены несколько лет назад), а конструкция двигателей разработана и внедрена еще в 90-е годы прошлого столетия.
К усовершенствованным бензиновым двигателям относятся также Ford (1.6 Zetec и 2.0 Duratec) и BMW (2.0 N46, а также 2.5 и 3.0 M54). Но наиболее надежны и долговечны безнаддувные агрегаты, устанавливаемые на японские автомобили. Помимо Mazda, к этому сегменту относится Nissan (двигатели 1.6 SAR и 2.0 MR, на рынке с 2006 года) и Toyota (серия ZR, дебютировавшая в 2007 году, объем моторов: 1.6, 1.8 и 2.0 литра). Есть такие двигатели и у Honda, Mitsubishi, Lexus, Subaru.
Во многом развитие атмосферных двигателей зависит от соответствия экологическим стандартам. Если инженерам удастся сократить количество выбросов в соответствии с ужесточающимися стандартами, то развитие безнаддувных силовых агрегатов продолжится, а если нет, то они останутся в прошлом.
Что в итоге
Знание того, как подобрать двигатель для автомобиля, позволяет сделать правильный выбор ДВС
Выше мы перечислили основные моменты, на которые следует обращать внимание при подборе силового агрегата. Как показывает практика, нужно придерживаться правила «золотой середины», причем для автомобильного двигателя это особенно актуально
Силовая установка должна обеспечивать необходимый баланс по мощности и показателю крутящего момента. Немаловажен и расход горючего, а также общая надежность двигателя, его ремонтопригодность, стоимость планового обслуживания, запчастей и внеплановых ремонтных работ.
Перед покупкой транспортного средства следует обязательно учитывать перечисленные особенности, сопоставляя их с собственным бюджетом
Обратите внимание, распространенной ошибкой зачастую является приобретение как самого маломощного мотора с небольшим объемом, так и слишком мощного силового агрегата
В первом случае машина со слабым двигателем попросту «не едет», а сам ДВС зачастую имеет небольшой ресурс. Во втором случае за мощный мотор приходится расплачиваться высоким расходом топлива и обслуживания, причем в рамках повседневной эксплуатации эту мощность можно вполне считать избыточной.
Напоследок отметим, что при подборе уже не нового автомобиля, прежде всего, нужно уделять максимум внимания надежности двигателя, а уже потом другим характеристикам
Важно подобрать такой силовой агрегат, который будет иметь еще достаточно большой остаточный ресурс, то есть не потребует от владельца серьезных вложений на протяжении, как минимум, 100-150 тыс. км
