Види двигунів

На сьогодні наймасовішими двигунами для автомобілів є чотирьохтактні автомобільні двигуни, які працюють за циклом Отто (на честь німецького винахідника, який у 1876 році першим створив чотирьохтактний двигун внутрішнього згоряння).

Будь-який автомобільний двигун внутрішнього згоряння призначений для того, щоб змусити автомобіль рухатись. Принцип роботи такого двигуна полягає в перетворенні енергії, яка виділяється при згорянні палива в певну рушійну силу, тобто перетворення теплової енергії в кінетичну. Як саме відбувається це процес залежить від конструкції двигуна, а вони можуть бути різними, так само як і види автомобільних двигунів.

В загальному можна виділити два види автомобільних двигунів: поршневі, в яких весь робочий процес відбувається в циліндрах, і безпоршневі, наприклад, газотурбінні. На переважній більшості сучасних автомобілів встановлені саме поршневі двигуни, про них і поговоримо далі.

Як для організму людини потрібна їжа, так само для автомобіля потрібне паливо. Під’їхавши до заправки можна розгубитися, адже до вашого вибору буде кілька типів бензину та дизельне паливо. Яким саме паливом заправити автомобіль вказано в технічний характеристиці його двигуна. 

Бувають два види двигунів – бензинові та дизельні. В перших займання палива відбувається від електричної іскри і називається примусовим, у других – від стискання паливо-повітряної суміші, внаслідок чого вона дуже сильно нагрівається і вибухає.

Автомобільні двигуни мають досить складну будову. Вони складаються з різних механізмів та систем: кривошипно-шатунного механізму, механізму газорозподілу, системи охолодження, системи мащення, системи живлення, а в бензинових двигунах ще й системи запалювання.

В автомобільному двигуні згоряння палива відбувається в циліндрі. Через клапани подається паливо (в бензинових двигунах) або повітря (в дизелях, а паливо впорскується через форсунку), поршень починає рухатися вверх і стискає його. Після чого відбувається згоряння палива, при цьому в циліндрі створюється дуже високий тиск, який і штовхає поршень вниз. За допомогою шатуна зворотно-поступальний рух поршня перетворюється в обертовий рух колінчастого валу двигуна, який далі, через трансмісію, передається колесам автомобіля.

За особливостями будови можна виділити й інші види автомобільних двигунів. Двигуни до автомобілів можуть бути 3-и, 4-и, 6-и і навіть 8-и циліндровими. За схемою розташування циліндрів рядними, V-подібними (коли циліндри розташовуються під певним кутом один до одного ) та опозитними (кут між циліндрами складає 180 градусів). Бензинові двигуни бувають карбюраторними та інжекторними, останні є економічнішими та менше забруднюють довкілля.

Вічного двигуна не існує. Більшість процесів у автомобільному двигуні супроводжуються тертям та високими температурами. Всі ці фактори зумовлюють зношення чи поломки окремих деталей, агрегатів, а то й цілих систем чи механізмів. Однак заміна двигуна буде дуже дорого коштувати. Тому автовиробники випускають запчастини для двигунів.Ремонт автомобільних двигунів проводиться майстрами-мотористами на спеціальних автосервісах.

Для того щоб запобігти поломкам і не доводити справу до ремонту двигуна необхідно вчасно проводити заміну мастила та технічне обслуговування. Вчасне і якісне проведення ТО зекономить ваші гроші і автомобіль буде служити вам довго і надійно.

Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний

Історія двигуна будови формувалась спонтанно і хаотично. Перші двигуни були значні за розміром і робочого об'єму. При цьому двигуни були найпростішими за своєю конструкцією. Зустрічалися 1 циліндрові двигуни об'ємом близько 8 літрів. Тут багато причин, по перше технології, по-друге, низький ККД, зрештою відсутність елементарного досвіду і знань.

На сьогоднішній день навіть у сучасних двигунів ККД становить близько 20 %, що мізерно мало. Тобто лише близько 2 літрів бензину з 10 залитого в бак витрачатися на створення обертового робочого моменту на валу двигуна, решта просто вилітає в трубу, переходить у теплову енергію, трансформується в детонації, витрачатися на сили тертя та інерції і т.д. Тим не менш вже сформувалася загальна думка ефективного двигуна внутрішнього згоряння. При цьому поршні двигуна і відповідно робочі камери мають досить обмежені розміри. Вся справа в тому, що компактні механізми володіють меншими силами інерції, менше схильні детонациям, але про це далі. Зараз перш за все хотілося сказати, що співвідношення циліндрів до загального обсягу двигуна ставляться з співвідношенням 1 циліндр на 170-900 см кубічних однієї робочої камери. Занадто маленькі поршні мають обмеження за своїм конструктивним характеристикам, так як навіть при високої компресії близько 14-16 атмосфер (бензиновий двигун) мініатюрність обмежує і передачу зусиль на шатун від поршня. При дуже значних розмірах поршнів неможливо добитися точної збалансованості механізму і, відповідно, отримати високі обороти частоти обертання двигуна, вірніше сказати це дуже складно і високотехнологічно.

Рис. 1 Так прикладом малолітражних автомобілів з маленькими циліндрами є: рядна «четвірка» у Subaru R1 – 658 см3. трициліндровий Smart – 799 см3 , трициліндровий Matiz – 796 см3 , чотирициліндровий Matiz – 995 см3. , чотирициліндровий Hyundai i10 і Kia Picanto – 1086 см3. Автомобілі з двигунами де зустрічаються циліндр гіганти: V-подібна «вісімка» купе Chevrolet Corvette Z06 – 7011 см3, рядна «шістка» Nissan Patrol TB48DE – 4758 см3.

Двигун рядний

Найменування двигуна говорить сама за себе. У такому двигуні всі поршні в головці циліндрів розташовані рядно – в один ряд. Такі двигуни найбільш прості по своїй конструкції і технології виробництва деталей до них. Подібні двигуни ремонтопридатні в приватних майстернях. Це що говориться класика.
Позначення двигунів починається з літери R. Так R2 означає що в двигуні 2 циліндра в ряд, R3 три циліндра в ряд і так далі. Якщо щодо розташування циліндрів все зрозуміло, то їх базування на колінчастому валу може бути різним. Дивіться на малюнок нижче 2

Рис. 2 Приклад А: трициліндровий рядний двигун з кутом між кривошипами 120 градусів, Рівномірне за часом запалювання суміші за один період (оборот колінчастого валу) реалізовано в конструкції двигуна за схемою – двотактних цикл роботи (кути між кривошипами 180 градусів). Варіант З, фактично альтернатива одному великому поршня, при цьому двигун виходить більш компактним (така конструкція двигуна застосована на автомобілі «Ока»)

Найбільш поширеними з рядних двигунів на сьогоднішній момент є чотирициліндрові двигуни. Їх обсяг віріруется, як правило в межах від 1 літра до 2,4 літрів. Багато в ефективності двигунів залежить від подачі паливно-повітряної суміші, але це тема іншої статті. Несиметрична конструкція двигуна щодо колінчастого вала вносить свої корективи. Так колінчастий вал виконаний з компенсуючими відливами. Фактично вони гасять інерційні сили від поступального руху поршнів при обертанні колінчастого валу (добре видно на малюнку 7)

Рис. 3 Приклад коли двоциліндровий двигун при реалізації турбонаддува досягає такої високої потужності Fiat 500 двигун 0,9 л – 85 к.с. і найпростіші і дешеві двоциліндрові представники російська Ока і індійська Tata Nano

Рис. 4 Рядний п’ятициліндровий двигун від Mercedes Benz

Мотори з шістьма циліндрами в ряд також не популярні. Справа навіть не в тому, що вони споживають багато бензину, проблема рядних двигунів це їх розміри. Такі двигуни добре вписуються у фюзеляж літака а в капот машини вже не кожній. При установки багатоциліндрових двигунів доводиться викручуватись щоб мотор і КПП вмістилися в одному моторному відсіку. Так Austin Maxi 2200 випускався в Англії в середині 60-х років мав коробку передач розміщену під двигуном. Автомобіль Volvo S80 з шістьма циліндрами в ряд має дуже компактну коробкою передач (Рис.5 ). Яке ж рішення, якщо потрібно підвищення потужності, за умови, що двигун повинен мати більш компактні форми. Відповідь проста половина циліндрів симетрично переноситися оппозитно – один навпроти одного. Тобто кут між циліндрами складає 180 градусів. Звідси і назва опозитні двигуни.

Рис. 5 Рядні багатоциліндрові двигуни на Austin Maxi 2200 і Volvo S80

Двигун опозитний

Опозитні двигуни маркуються літерою B. Що означає Boxer-аналогія переміщення рук від суперника до суперника на боксерському рингу. Так наприклад B2 означає двоциліндровий двигун, B4 чотирициліндровий і т.д. Плюси оппозитников очевидні вони коротше рядних двигунів в два рази. Це як два рядних двигуна, один навпроти іншого передає свій крутний момент на один колінчастий вал. (рис. 6)

Рис. 6 Двоциліндровий опозитний, добре знайомий в радянському союзі мотор мотоцикла Урал і французький Citroen 2CV

Рис. 7 Чотирициліндровий опозитний мотор

Ще одним важливим плюсом оппозитников є відносна врівноваженість. Фактично всі елементи симетричні, що значно зменшує вібрації. Крім того, конструктивною особливістю є жорсткий блок, з центральним кріпленням валу, що також позитивно позначається на гасінні вібрацій.
Варто зауважити що двоциліндровий опозитний мотор не урівноважений щодо виникнення вібрацій, в слідстві того, що переміщення двох циліндрів один до одного або один від одного намагаються створює крутний момент для колінчатого вал в вертикальної осі. Точка центру обертання крутного моменту знаходиться між кріпленнями шатунів на колінчастому валу. Варто додати ще два циліндра які будуть працювати в протифазі першим та ми компенсуємо цей недолік опозитного мотора.
З плюсами оппозитников ми розібралися, але ж не буває все так добре. Так дійсно, ” опозитники ” фактично вимагають дві головки, роздвоєну систему харчування, більш складну конструкцію і технологію виготовлення блоку (рис 8)

Рис. 8 Опозитний двигун від Porsche має дві однакові головки клапанів. При цьому привід розподільних валів – ланцюгова передачі є спереду і ззаду, для розподільчого валу однієї і другої головки.

V образний двигун

Фактично V-подібні двигуни це приватний випадок оппозитников, коли рядні двигуни встановлені не один навпроти іншого під 180 градусів, а з кутом наприклад 60 або 90 градусів. Тут виникає бажання зменшити кут між циліндрами до такого щоб мінімізувати габарити двигуна. Так наприклад випускалися автомобілі Lancia Fulvia в 70-х роках минулого століття мали V образний двигун з кутом розвалу блоку 23° (Рис. 8).
Так в чому ж проблема? Справа не в тому, що це неможливо розмістити конструктивно поршні так близько одне до одного. Справа в тому, що ми отримуємо дуже неврівноважену систему. Переміщення поршнів і їх інерційні сили не будуть урівноважуватися, а навіть навпаки будуть складатися. Знову виходить складна конструкція колінчастого вала із значними противагами. Чим менше кут, тим складніше приборкати інерційну силу поршнів.

Рис. 8 Lancia Fulvia з кутом розвалу блоку мотора між циліндрами в 23 градуси

Крім противаг можуть застосовуватися компенсаційні вали. Фактично такі вали обертаючись створюють силу зворотну силу вібрації. Так наприклад подібні вали застосовувалися компаніями Audi, VW, Seat, Ford, Fiat (Рис. 9)

Рис. 9 Двигун з чотирма циліндрами в ряд і компенсаційними валами. Компенсаційні вали наводяться ланцюговою передачею від колінчастого вала. В деяких випадку вали наводяться двома незалежними ланцюговими передачами від колінчастого вала.

Приватні випадки V-образного двигуна

Сьогодні питання потужності і компактності перед конструкторами провідних авто виробників стоїть на першому місці. У зв’язку з цим з’явилися W-подібні двигуни з мінімальним кутом розвалу циліндрів – 15 градусів. Початок цієї революційної серійної конструцкии мотора поклав WV Golf VR6 третього покоління.

Саме позначення двигуна VR говорить сама за себе. V подібний з мінімальним кутом розвалу таким, що можна додати літеру R рядний. Ще такі двигуни називають зміщене рядними. Далі більше, мотористи компанії Volkswagen взяли два двигуна VR і розташували під кутом один до іншого (кут склав 72 градуси).

Так серійно випускалися двигуни W8, якими був обладнаний Passat. 12 циліндровий W образник стояв на VW Roadster 1998 року Складність виготовлення таких моторів колосальна. Починаючи від конструювання і розрахунків і закінчуючи технологіями у виробництві, що в підсумку позначається на їх ціні і серії виробництва.

Зведена інформація по детонациям в різних видах двигунів

Тепер після того як ми пробіглися по всі конструкціям двигунів трохи сухої статистики підтверджує нашу теорію. .у таблиці нижче наведена інформація про присутніх у двигунах внутрішнього згоряння силах і про їх врівноваженості при роботі. Так зелені клітини вказують на врівноваженість або відсутність детонацій. Червоні на проблемні сили проявляються при тій чи іншій конструкції двигуна.

Таблица.1 Показники різних проявляються вібрацій в двигунах внутрішнього згоряння (Для перегляду таблиці у збільшеному розмірі натисніть на зображення)

* Поршні в протифазі.
** Врівноважуються противагами на колінчастому валі.
Тобто згідно таблиці максимально врівноважені мотори рядний шестициліндровий, восьмициліндровий і шестициліндровий опозитний. На жаль такі компонування зовсім не дешеві і як правило застосовуються вже в автомобілях бізнес класу.