Типы двигателей

Классификация авто

Если говорить в общем, классифицировать автомобили можно по различным критериям: по назначению (грузовые, пассажирские, грузопассажирские, спецтехника), по типу или объему двигателя, по размерам и типам кузова, по числу ведущих колес, количеству осей, условий работы и т.д.

• К примеру в США, классификация легковых автомобилей основана на внутреннем объеме автомобиля и размером колесной базы.
• Во Франции и Испании — на условной налоговой мощности двигателя (используется для налогообложения транспортных средств).
• В Японии — самая простая — 3х классовая, основана на размерах кузова и объеме двигателя.
• В Китае — классификация тяготеет к японской, однако по классам ближе к европейской.

С европейской классификацией — тоже не так все просто.

Существует так называемая Классификация Европейской экономической комиссии и Классификация Euro NCAP. Не вдаваясь в подробности, скажем, что здесь тоже есть свои заморочки, под час, не совсем понятные простому потребителю.

На практике же, в том числе и в средствах массовой информации, практически все продаваемые автомобили в Европе и России условно классифицируются по габаритным размерам и типу кузова.

Назовем это как — Европейская классификация автомобилей. Сюда входят 6 размерных классов и 4 , различаемых по типу кузова.

Классификация двигателей

Поршневые двигатели классифицируют по следующим признакам:

• по способу воспламенения горючей смеси — от сжатия (дизели) и от электрической искры
• по способу смесеобразования — с внешним (карбюраторные и газовые) и внутренним (дизели) смесеобразованием
• по способу осуществления рабочего цикла — четырех- и двухтактные;
• по виду применяемого топлива — работающие на жидком (бензин или дизельное топливо), газообразном (сжатый или сжиженный газ) топливе и мно­готопливные
• по числу цилиндров — одно- и многоцилиндровые (двух-, трех-, четырех-, шестицилиндровые и т.д.)
• по расположению цилиндров — однорядные, или линейные (цилиндры расположены в один ряд), и двухрядные, или V-образные (один ряд цилиндров размещен под углом к другому)

На тракторах и автомобилях большой грузоподъемности применяют четырехтактные многоцилиндровые дизели, на автомобилях легковых, малой и средней грузоподъемности — четырехтактные многоцилиндровые карбюра­торные и дизельные двигатели, а также двигатели, работающие на сжатом и сжиженном газе.

Первичные двигатели

Первыми первичными двигателями стали парус и водяное колесо. Парусом пользуются уже более 7 тысяч лет.

Водяное колесо — норию широко применяли для оросительных систем в странах Древнего мира: Египте, Китае, Индии. Водяные и ветряные колёса широко использовались в Европе в средних веках как основная энергетическая база мануфактурного производства.

Паровые машины

В середине XVII века были сделаны первые попытки перехода к машинному производству, потребовавшие создания двигателей, не зависящих от местных источников энергии (воды, ветра и прочего). Первым двигателем, в котором использовалось тепловая энергия химического топлива, стала пароатмосферная машина, изготовленная по проектам французского физика Дени Папена и английского механика Томаса Севери. Эта машина была лишена возможности непосредственно служить механическим приводом, к ней «прилагалось в комплект» водяное мельничное колесо (по-современному говоря, гидротурбина), которое вращала вода, выжимаемая паром из парового котла в резервуар водонапорной башни. Котел то подогревался паром, то охлаждался водой: машина действовала периодически.

В 1763 году русский механик Иван Иванович Ползунов изготовил по собственному проекту стационарную паровую машину непрерывного действия. В ней были сдвоены два цилиндра, поочерёдно заполнявшиеся паром, и также подающими воду на башню, но — постоянно.

К 1784 году английский механик Джеймс Уатт создал более совершенную паровую машину, названную универсальным паровым двигателем. Уатт с детства работал подручным на машине конструкции Севери. В его задачу входило постоянно переключать краны подачи пара и воды на котел. Эта однообразная работа изрядно надоела изобретателю и побудила изобрести как поршень двойного хода, так и автоматическую клапанную коробку (потом и центробежный предохранитель). В машине был предусмотрен в цилиндре жесткий поршень, по обе стороны которого поочередно подавался пар. Все происходило в автоматическом режиме и непрерывно. Поршень вращал через кривошипно—шатунную систему маховик, обеспечивающий плавность хода. Паровая машина могла теперь стать приводом различных механизмов и перестала быть привязана к водонапорной башне. Элементы, придуманные Уаттом, входили в той или иной форме во все паровые машины. Паровые машины совершенствовали и применяли для решения различных технических задач: привода станков, судов, экипажей для перевозки людей по дорогам, локомотивов на железных дорогах. К 1880 году суммарная мощность всех работавших паровых машин превысила 26 млн кВт (35 млн л. с.).

Двигатель Стирлинга

В 1816 шотландец Роберт Стирлинг предложил двигатель внешнего сгорания, называемый сейчас его именем Двигатель Стирлинга. В этом двигателе рабочее тело (воздух или иной газ) заключен в герметичный объём. Здесь осуществлен цикл по типу цикла Севери («до-Уаттовского»), но нагрев рабочего тела и его охлаждение производятся в различных объёмах машины и сквозь стенки рабочих камер. Природа нагревателя и охладителя для цикла не имеют значения, а потому он может работать даже в космосе и от любого источника тепла. КПД созданных сейчас стирлингов невелик. Теоретически он должен раза в 2 превышать КПД для ДВС, а практически — это примерно одинаковые величины. Но у стирлингов есть ряд других преимуществ, которые способствовали развитию исследований в этом направлении.

Паровая турбина

Рисунки, изображающие крыльчатое колесо, вращающееся под воздействием потока пара, известны с древних времён. Однако практические конструкции паровой турбины были созданы лишь во второй половине XIX века, благодаря развитию конструкционных материалов, позволивших достичь высоких скоростей вращения.

В 1889 году шведский инженер Карл Густав де Лаваль предложил использовать расширяющееся сопло и быстроходную турбину (до 32000 об/мин), а, независимо от него, ещё в 1884 году англичанин Чарлз Алджернон Парсонс изобрёл первую пригодную для промышленного применения реактивную турбину (более тихоходную), способную вращать судовой винт. Паровые турбины стали применять на морских судах, а с начала XX века на электростанциях. В 1960-х годах их мощность превысила 1000 МВт в одном агрегате.

Главная классификация ДВС

Все существующие ДВС разделены на 3 вида:

• поршневые;
• роторные;
• газотурбинные.

В поршневых агрегатах рабочим органом является поршень. В роторных моторах используется движение ротора. В газотурбинных двигателях движение осуществляется турбиной.

В каждом из видов этих силовых установок конструктивно реализованы разные схемы преобразования тепловой энергии в полезную работу. Это принципиально отличает их друг от друга. Максимальная производительность силовых агрегатов зависит от того, каким образом преобразуется тепловая энергия. Каждый вид силовых агрегатов создан для эффективной работы в своей области применения.

Ниже подробно описаны конструкции этих агрегатов и физические процессы, происходящие в них. Отдельный раздел статьи посвящён двигателю Стирлинга. Он относится к механизмам с внешней камерой сгорания. Но принцип работы этого мотора по нескольким признакам похож на ДВС. Это часто вызывает путаницу.

Газотурбинный двигатель

При воспламенении топлива образуются газы, которые при нагреве расширяются. Этот факт всем известен из школьного курса физики. Указанный принцип положен в основу газотурбинной установки. Топливная смесь сгорает, и нагретый газ моментально расширяется, заставляя лопасти турбины вращаться. Чем больше температура газа, тем быстрее он увеличивается в объёмах. Эта зависимость определяет коэффициент полезного действия этого вида ДВС: чем выше температура газов, тем больше КПД.

Разработано два типа газотурбинных установок, отличающихся количеством рабочих валов. Агрегаты с двумя валами мощнее по сравнению с одновальными механизмами.

Газотурбинные двигатели устанавливают на машины, где необходима большая мощность силовой установки. Например, грузовые автомобили, корабли, самолёты и железнодорожные локомотивы.

Видео: Принцип работы газотурбинного двигателя

Роторный ДВС

В моторах этого вида реализован принцип вращения вала от кругового движения ротора. Ротором является треугольный поршень, который вращается в овальной камере – статоре. Ротор закреплён на валу с эксцентриситетом. При таком расположении во время вращения ротора в цилиндре создаются полости для тактов зажигания, сгорания и выпуска. За один оборот ротора происходит 3 такта работы.

Достоинством роторного ДВС является отсутствие шатунов, коленчатого вала и многих сопутствующих узлов. Инженеры подсчитали, что деталей в агрегате роторного типа намного меньше, чем в моторах других типов. Поэтому роторные моторы гораздо меньше других. Это является ещё одним их преимуществом.

В Японии, известной своими передовыми разработками в автомобилестроении, были сконструированы двигатели, имеющие несколько роторов. Например, японцы сконструировали агрегат, имеющий такую же мощность, что и шестипоршневой двигатель гоночного автомобиля. Но размеры многороторного движка при этом гораздо меньше.

На ранних моделях вазовских автомобилей в своё время устанавливались роторные моторы.

Роторные двигатели гораздо проще и эффективнее поршневых.  Но по непонятной причине роторные агрегаты используются очень редко.

Видео: Принцип работы роторного двигателя

Поршневой двигатель

Это – самый распространённый тип двигателя. Рассмотрим его принципиальную схему работы.

В конструкции мотора этого вида имеется несколько цилиндров, внутри каждого из них поршни совершают возвратно-поступательные движения. В обоих концах цилиндров расположены клапаны. Открываясь, клапан пропускает порцию топливной смеси в камеру сгорания, образующуюся в цилиндре перед поршнем. В это время поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь. В расчётный момент происходит её воспламенение.  Образующиеся газы расширяются и толкают поршень в другую сторону. Несколько таких поршней закреплены на валу П-образной конструкции. Обычно такой вал называют коленчатым. За каждое движение поршня вал проворачивается на определённую величину. Цикл движения поршня от одной стороны цилиндра до другой называется тактом. Скоординированная работа поршней заставляет коленчатый вал проворачиваться на полный оборот. Такие циклы постоянно повторяются, заставляя вращаться вал с большой скоростью.

Автомобилестроители постоянно совершенствуют поршневые двигатели. Каждое усовершенствование приводит к повышению мощности двигателя. Поршневые агрегаты являются самыми надёжными из всех видов силовых установок.

Видео: Принцип работы дизельного двигателя

МАТЕРИАЛЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

В качестве материала изготовления для цельнолитых поршней используются алюминиевые сплавы. Детали из таких сплавов характеризуются малым весом и хорошей теплопроводностью. Но при этом алюминий не является высокопрочным и жаростойким материалом, что ограничивает использование поршней из него.

Литые поршни изготавливаются и из чугуна. Этот материал прочный и устойчивый к высоким температурам. Недостатком их является значительная масса и слабая теплопроводность, что приводит к сильному нагреву поршней в процессе работы двигателя. Из-за этого их не используют на бензиновых моторах, поскольку высокая температура становится причиной возникновения калильного зажигания (топливовоздушная смесь воспламеняется от контакта с разогретыми поверхностями, а не от искры свечи зажигания).

Конструкция составных поршней позволяет комбинировать между собой указанные материалы. В таких элементах юбка изготавливается из алюминиевых сплавов, что обеспечивает хорошую теплопроводность, а головка – из жаропрочной стали или чугуна.

Но и у элементов составного типа есть недостатки, среди которых:

• возможность использования только в дизельных двигателях;
• больший вес по сравнению с литыми алюминиевыми;
• необходимость использования поршневых колец из жаростойких материалов;
• более высокая цена;

Из-за этих особенностей сфера использования составных поршней ограничена, их применяют только на крупноразмерных дизельных двигателях.

ВИДЕО: ПОРШЕНЬ. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПОРШНЯ ДВИГАТЕЛЯ. УСТРОЙСТВО

Самые известные и широко применяемые во всем мире механические устройства — это двигатели внутреннего сгорания (далее ДВС). Ассортимент их обширен, а отличаются они рядом особенностей, например, количеством цилиндров, число которых может варьироваться от 1 до 24, используемым топливом.

Работа поршневого двигателя внутреннего сгорания

Одноцилиндровый ДВС

можно считать самым примитивным, несбалансированными и имеющими неравномерный ход, несмотря на то, что он является отправной точкой в создании многоцилиндровых двигателей нового поколения. На сегодняшний день они применяются в авиамоделировании, в производстве сельскохозяйственных, бытовых и садовых инструментов. Для автомобилестроения массово применяются четырехцилиндровые двигатели и более солидные аппараты.

Характеристики ДВС

Потребительские качества двигателя (принимая за образец классический поршневой или комбинированный двигатель, отдающий крутящий момент) можно охарактеризовать следующими показателями:

1. Массовые показатели, в кг на литр рабочего объёма (обычно от 30 до 80) — удельная масса, и в кг на 1 л.с. (1 кВт) — удельная мощность. Они важнее для транспортных, особенно для авиационных, двигателей.
2. Удельный расход топлива, г/л.с.*час (г/кВт*ч), или для конкретных видов топлив с разной плотностью и агрегатным состоянием, л/кВт*ч, м3/кВт*ч.
3. Ресурс в часах (моточасах). Некоторые применения ДВС не требуют большого ресурса (пусковые ДВС, двигатели торпед), и потому в их конструкции могут отсутствовать, например, фильтры для масла и воздуха.
4. Экологические характеристики (как самостоятельные, так и в составе транспортного средства), определяющие возможность его эксплуатации.
5. Транспортные характеристики, определяющие кривую крутящего момента в зависимости от числа оборотов. При работе двигателя по винтовой характеристике, обычно без трансмиссии, специальная корректировка транспортной характеристики не требуется, но в автомобилях и тракторах хорошая транспортная характеристика (высокий запас крутящего момента, тихоходная настройка) позволяют уменьшить число передач в трансмиссии и облегчить управление.
6. Шумность двигателя, зачастую определяемая его применением в люксовых моделях автомобилей или подводных лодках. Для снижения шумности часто снижают жёсткость подвески двигателя, усложняют схемы выпуска газов (например, выпуск газов через винт в подвесных моторах), а также капотируют.

Скоростные характеристики

ДВС, отдающие мощность на выходной вал, обычно характеризуются кривыми крутящего момента и мощности в зависимости от частоты вращения вала (от минимально устойчивых оборотов холостого хода до максимально возможных, при которых ДВС может работать без поломок). Дополнительно к двум вышеупомянутым кривым может быть представлена кривая удельного расхода топлива. По результатам анализа таких кривых определяется коэффициент запаса крутящего момента (он же коэффициент приспособляемости), и другие показатели, влияющие на конструкцию трансмиссии.

Внешняя скоростная характеристика 2,7 литрового двигателя Porsche Boxster

В настоящее время для потребителей представляют внешние скоростные характеристики с нетто-мощностью ISO-1585, согласно региональному стандарту измерения мощности ДВС (зависит от температуры, давления, влажности воздуха, применяемого топлива и наличия отбора мощности на установленные агрегаты). Двигатели американских производителей обычно испытывают по другому стандарту (SAE). Внешней характеристику называют потому, что линии мощности и крутящего момента проходят выше частичных скоростных характеристик, и нельзя получить мощность выше манипуляциями с органами подачи топлива.

Однако, в более ранних публикациях имеются скоростные характеристики, базирующиеся на измерении мощности брутто (кривая крутящего момента, соответственно, также поднимается выше).

Кроме полных, в расчётах трансмиссий транспортных средств активно используются частичные скоростные характеристики — эффективные показатели двигателя при промежуточных положениях регулятора подачи топлива (или дроссельной заслонки для бензиновых). Для транспортных средств с винтами на таких характеристиках приводят винтовые при различных положениях винта с регулируемым шагом.

Существуют и другие характеристики, не предназначенные для потребителей, например с кривыми индикаторной мощности, индикаторного расхода топлива и индикаторного крутящего момента (используемые при расчёте ДВС), а также абсолютная скоростная характеристика, показывающая максимально возможную отдачу данного двигателя, которую можно получить при подаче большего количества топлива, чем на номинальном режиме. Для дизелей имеется также линия дымления, работа за которой не допускается.

Работа на абсолютной характеристике практически (кроме пуска ДВС) не производится, поскольку при этом снижается экономичность и экологичность двигателя, сокращается ресурс (особенно для дизельных двигателей, у которых работа за пределом дымления сокращает ресурс до считанных часов).

Поршневой ДВС с искровым зажиганием (двигатель Отто)

Является наиболее распространённым по количеству, поскольку число автомобилей в мире на 2014 год составляло более 1,2 млрд., и большая их часть приводится в движение двигателем Отто.

Бензиновый двигатель

Основная статья: Бензиновый двигатель внутреннего сгорания

Является наиболее распространённым вариантом, установлен на значительной части транспортных машин (ввиду меньшей массы, стоимости, хорошей экономичности и малошумности). Имеет два варианта системы подачи топлива: инжектор и карбюратор. В обоих случаях в цилиндре сжимается топливо-воздушная смесь, подверженная детонации, поэтому степень сжатия и уровень форсирования такого двигателя ограничены детонацией.

Карбюраторный двигатель

Основная статья: Карбюраторный двигатель

Особенностью является получение топливо-бензиновой смеси в специальном смесителе, карбюраторе. Ранее такие бензиновые двигатели преобладали; теперь, с развитием микропроцессоров, их область применения стремительно сокращается (применяются на маломощных ДВС, с низкими требованиями к расходу топлива).

Инжекторный двигатель

Особенностью является получение топливной смеси в коллекторе или открытых цилиндрах двигателя путём подачи инжекторной системой подачи топлива. В настоящий момент является преобладающим вариантом ДВС Отто, поскольку позволяет резко упростить электронное управление двигателем. Нужная степень однородности смеси достигается за счет увеличения давления форсуночного распыливания топлива.

Роторно-поршневой

Основная статья: Роторно-поршневой двигатель

Дополнительные сведения: Роторно-цилиндро-клапанный двигатель

Предложен изобретателем Ванкелем в начале XX века. Основа двигателя — треугольный ротор (поршень), вращающийся в камере особой 8-образной формы, исполняющий функции поршня, коленвала и газораспределителя. Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. За один оборот двигатель выполняет три полных рабочих цикла, что эквивалентно работе шестицилиндрового поршневого двигателя. Строился серийно фирмой НСУ в Германии (автомобиль RO-80), ВАЗом в СССР (ВАЗ-21018 «Жигули», ВАЗ-416, ВАЗ-426, ВАЗ-526), Маздой в Японии (Mazda RX-7, Mazda RX-8). При своей принципиальной простоте имеет ряд существенных конструктивных сложностей, делающих его широкое внедрение весьма затруднительным. Основные трудности связаны с созданием долговечных работоспособных уплотнений между ротором и камерой и с построением системы смазки, и потому — с выполнением экологических требований.

RCV — двигатель внутреннего сгорания, система газораспределения которого реализована за счёт движения поршня, который совершает возвратно-поступательные движения, попеременно проходя впускной и выпускной патрубок

Обычно роторно-поршневые ДВС используют в качестве топлива бензин, но возможно и применение газа. Роторно-поршневой двигатель является ярким представителем бесшатунных ДВС, наряду с двигателем Баландина.

Газовые двигатели

Основная статья: Газовый двигатель

Двигатель, сжигающий в качестве топлива углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях:

• смеси сжиженных газов — хранятся в баллоне под давлением насыщенных паров (до 16 атм). Испарённая в испарителе жидкая фаза или паровая фаза смеси ступенчато теряет давление в газовом редукторе до близкого атмосферному, и всасывается двигателем во впускной коллектор через воздушно-газовый смеситель или впрыскивается во впускной коллектор посредством электрических форсунок. Зажигание осуществляется при помощи искры, проскакивающей между электродами свечи.
• сжатые природные газы — хранятся в баллоне под давлением 150—200 атм. Устройство систем питания аналогично системам питания сжиженным газом, отличие — отсутствие испарителя.
• генераторный газ — газ, полученный превращением твёрдого топлива в газообразное. В качестве твёрдого топлива используются: уголь, торф, древесина.

Эти двигатели имеют широкое применение, например, в электростанциях малой и средней мощности, использующих в качестве топлива природный газ (в области высоких мощностей безраздельно господствуют газотурбинные энергоблоки).