Разнообразие типов автомобильных двигателей: ключевые характеристики и особенности

.

Согласно традиционным классификациям, двигатели современных автомобилей на жидком топливе делятся по типу используемого горючего: на бензиновые и дизельные. К простым однотопливным двигателям добавляются модели с газобаллонным оборудованием, которые могут переключаться между бензином и сжиженным газом, а также гибридные машины, где небольшой бензиновый двигатель приводит в движение мощный электрогенератор, обеспечивающий вращение колес. Кроме привычных рядных, V-образных, поперечных и продольных конфигураций, существуют даже двигатели без цилиндров и коленчатого вала. Рассмотрим, что собой представляет тип двигателя, на каких принципах проводится их различие, и объясним, почему зачастую возникает путаница с определениями, классами и названиями.

Типы ДВС

Конструкция и компоновка двигателей внутреннего сгорания, а также их составляющие, основаны на методе преобразования тепловой энергии, получаемой от сжигания топлива, в механическую энергию, передаваемую трансмиссии. Как уже упоминалось, существуют два основных типа двигателей: бензиновые и дизельные, функционирующие по известным термодинамическим циклам – циклу Отто и циклу Тринклера‐Сабатэ (хотя название второй схемы может удивить).

Первый цикл подразумевает использование внешнего источника воспламенения топливной смеси (искры), тогда как второй работает без него. Ключевое различие этих категорий двигателей заключается в наличии системы зажигания: бензиновый двигатель использует управляемую искровую систему, в то время как дизельный работает за счет самовозгорания топливной смеси, нагреваемой сильным сжатием при высоком давлении.

Кроме того, бензиновый двигатель может функционировать на сжиженном газе, спирте или на смеси высокооктановых спиртов с бензином, а также на бензине с добавлением закиси азота. Дизельные двигатели, имея меньшее количество калорий, способны работать не только на дизельном топливе, но и на растительном масле (например, рапсовом или подсолнечном), а также на различных продуктах переработки нефти и даже на сырой нефти (хотя это на современных автомобилях не применяется).

Классификация ДВС: варианты

Форматировка двигателей может варьироваться: рядные, V-образные, U-образные, поперечные, продольные, роторные и иные конфигурации не являются типом, а представляют собой распределение частей поршневого двигателя, относящегося к бензиновым или дизельным. Деление по количеству цилиндров и их размещению часто обозначает как «архитектуру» мотора. На данный момент основным критерием классификации является именно конфигурация, поскольку большинство автомобилей оснащены поршневыми моторами с возвратно-поступательным принципом работы, состоящими из стандартных элементов: цилиндр, головка, поршень, шатун и коленвал. Исключение составляют роторные двигатели, о которых будет сказано отдельно.

style=»margin-left: 0; border: 1px solid #ccc; background-color: #f1f0f0; padding: 5px; font-size:12px; width: 82%;»>
Классический V-образный шестицилиндровый двигатель Mercedes DTM Rennmotor 1996 года

Существуют и другие критерии, по которым можно классифицировать двигатели:

• Тактность — на 2Т и 4Т.
• Способы образования смеси — карбюраторные, инжекторные и впрысковые.
• Рабочий объем — в кубических сантиметрах.
• Тип газораспределительной механики — клапанный, поршневой или золотниковый.
• Количество клапанов на каждый цилиндр.
• Система охлаждения — воздушная, воздушно‐масляная, жидкостная.
• Наличие распредвалов — одноосные или двухосные.
• Принудительная подача воздуха — с турбиной или атмосферные.
• Способы привода ГРМ — с ремнем, цепью, штангообразные или шестеренчатые.
• Расположение относительно автомобиля — продольное или поперечное.

Каждый поршневой двигатель обязательно включает в себя камеру сгорания, поршень, цилиндр (или эквивалентный объем) и вал для передачи крутящего момента, генерируемого движением поршня.

Форма этого вала может быть коленчатой (как в большинстве автомобилей), аксиальной или осевой роторной, а также количество и расположение цилиндров, конструкция газораспределительной системы и подачи топлива зависят от механических принципов, на которых основан данный мотор.

Типы двигателей внутреннего сгорания, исходя из принципа работы, включают:

• Возвратно‐поступательные — здесь линейные движения поршня в цилиндре преобразуются в вращательное движение коленвала с помощью кривошипного механизма.
• Роторные — в этих двигателях камера сгорания перемещается, и давление возникающего газа сразу приводит ротор в движение.
• Аксиальные — вместо коленвала их конструкция включает нижнюю шейку шатунов, которая интегрирована в вращающуюся звездообразную шайбу, раскручивающую центральный вал благодаря эксцентрику.
• Свободнопоршневые (прототипы) – в них два поршня противоположного направления помещаются в отдельные камеры сгорания и размещены на одном штоке. Здесь вообще отсутствует вращение, и работа сводится к осевым перемещениям, служащим якорем для электрогенератора.

Разновидности двигателей внутреннего сгорания двухтактного и четырехтактного типа

Большинство современных двигателей относятся к четырехтактным. Двухтактные встречаются реже. В двухтактных моторах рабочий цикл (включающий все 4 фазы – впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск) осуществляется всего за два хода поршня между верхней и нижней мертвыми точками в одном обороте коленчатого вала. Для четырехтактных двигателей характерно выполнение каждого этапа на отдельных перемещениях поршня, что требует двух оборотов коленвала.

style=»margin-left: 0; border: 1px solid #ccc; background-color: #f1f0f0; padding: 5px; font-size:12px; width: 82%;»>
Схема работы четырехтактного двигателя

Двухтактные двигатели обеспечивают большую мощность при меньших оборотах (в полтора раза по сравнению с аналогичным четырехтактным), однако это достигается за счет большей токсичности выхлопа и меньшей экономичности (потери 15-30% эффективности) из-за необходимости добавления масла в топливо. Четырехтактные машины обеспечивают более полное сжигание горючей смеси, что исключает потерю топлива в выхлопе, но значительная часть генерируемого крутящего момента уходит на компенсацию тепловых и мощностных потерь из-за большего количества ходов поршня.

В итоге вопрос «экологичности» и экономичности сработал против двухтактников, которые, кроме того, требуют более активного отвода тепла, и в производстве легковых и грузовых автомобилей традиционно уступили место четырехтактным моделям. Тем не менее, в таких отраслях, как танкостроение и авиация, где экономия масла и экологические нормы не столь критичны, двухтактные двигатели нашли свое применение.

Многие знают, что бензиновые двигатели могут быть и двухтактными, а дизельные — только четырехтактными, но не все в курсе существования двухтактных дизелей. Этот тип разработки был создан более 120 лет назад и функционирует благодаря встречному движению двух поршней в одном цилиндре. Их верхние точки в ВМТ образуют общую камеру сгорания, где происходит вспышка смеси. Двигаясь в противоположные стороны, поршни приводят в движение свои коленвалы, компенсируя вибрации. Эта схема позволяет создать как дизельный, так и бензиновый двигатель: например, бензиновая версия использовалась на немецких самолетах Юнкерс, а современная модификация двухтактного дизеля применяется в тепловозах модели ТЭ3 и ТЭ10, в танках (моторы 5ТДФ и 6ТД) и на малых судах.

style=»margin-left: 0; border: 1px solid #ccc; background-color: #f1f0f0; padding: 5px; font-size:12px; width: 82%;»>
Двухтактный четырехцилиндровый двигатель ЯАЗ−204

Двигатель с искровым зажиганием (бензиновый, или с ГБО): самый массовый

Для того чтобы воспламенить топливовоздушную смесь (вне зависимости от того, газ она или жидкость), некоторые ДВС производят высоковольтный электрический разряд с помощью внешних электрических систем. В упрощенной форме: ток от генератора через прерыватель идет к каждому цилиндру, где он повышается на катушке, пробивает зазор между электродами свечи, что вызывает воспламенение смеси, после чего возвращается на массу (корпус). Для подачи топлива в такие механизмы используется либо устаревшая карбюраторная система, либо более современная инжекторная.

Карбюраторный

В карбюраторной системе топливовоздушная смесь подготавливается в отдельной конструкции на входе во впускной канал (для каждого цилиндра по отдельности или через общий коллектор). Упрощенно, карбюратор представляет собой закрытую «емкость» с трубкой, верхняя часть которой находится во впускном тракте, и разрежение «высасывает» бензин из резервуара. Объем топлива регулируется диаметром отверстия (жиклера) внутри трубки, а уровень в «емкости» поддерживается бензонасосом. Общее количество смеси регулируется поворотом дроссельной заслонки (педалью газа).

style=»margin-left: 0; border: 1px solid #ccc; background-color: #f1f0f0; padding: 5px; font-size:12px; width: 82%;»>
Карбюраторный двигатель для ВАЗ 2109 и 2108

Инжекторный

В инжекторных двигателях объем поступающего воздуха и качество топливной смеси регулируются отдельно: за воздух, как и в карбюраторных, отвечает дроссель, а за подачу топлива — электронный блок управления (ЭБУ), который управляет форсункой.

Согласно размещению топливных форсунок, они делятся на три категории:

• Центральные — выходящие соплом во впускной коллектор (устаревшие).
• Распределенные — отдельно для каждого впускного клапана.
• Непосредственные — форсунка впрыскивает топливо прямо в рабочую камеру.

В последних двух вариантах – одинаковое предварительное рабочее давление для «форсунок» достигается за счёт одной общей топливной рейки (или рампы).

style=»margin-left: 0; border: 1px solid #ccc; background-color: #f1f0f0; padding: 5px; font-size:12px; width: 82%;»>Инжекторный двигатель Лада Гранта

Дизельный двигатель

Подобная система подачи топлива в этих двигателях внутреннего сгорания напоминает распределённый впрыск для инжекторов, но с учётом более высокой степени сжатия по сравнению с бензиновыми моторами. Так, для бензиновых движков это значение в среднем варьируется от 7 до 10, а для дизелей – от 11 до 20 (и до 26 для супертурбо). Давления в диапазоне 40–50 бар достаточно, чтобы подогреть воздух в камере сгорания до 800–900 °C, из-за чего впрыскиваемое топливо может сгорать даже при неравномерном распылении, что обеспечивает дизелям примерно на 10–12 % больший КПД и до 40 % экономии горючего. Для достижения подобных характеристик необходим высокий запас прочности, поэтому компоненты блока цилиндров и коленвала дизельного мотора всегда будут более массивными и тяжёлыми по сравнению с бензиновыми агрегатами аналогичного объёма и конструкции.

style=»margin-left: 0; border: 1px solid #ccc; background-color: #f1f0f0; padding: 5px; font-size:12px; width: 82%;»>Дизельный двигатель Мерседес

Газодизельный

Это ещё более эффективная разновидность стандартного дизельного мотора, способная обеспечить до 60% экономии топлива. Однако в данном случае солярка не используется в качестве основного горючего, а лишь как стартовая «запальная» порция перед впрыском основного — сжиженного природного газа.

Конструкция таких агрегатов не отличается от обычных дизелей и находит применение в тяжёлой дорожной или стационарной технике. Газодизельные двигатели изготавливаются на основе стандартного серийного мотора с добавлением специальной версии газобаллонного оборудования.

Гибридный двигатель: силовая установка автомобилей Hybrid Technology

За исключением редких концептуальных решений, таких как свободнопоршневые, в большинстве своем это стандартные бензиновые двигатели (дизельные в данном контексте почти не используются), лишенные традиционной трансмиссии. Они в основном обслуживают электрогенератор, который заряжает ёмкий аккумулятор. В свою очередь, аккумулятор обеспечивает питание мощного тягового электродвигателя, который передаёт крутящий момент на колеса. В зависимости от нагрузки и уровня зарядки батареи, обычный двигатель может отключаться или подключаться автоматически к общей трансмиссии через вариатор.

style=»margin-left: 0; border: 1px solid #ccc; background-color: #f1f0f0; padding: 5px; font-size:12px; width: 82%;»>Гибридный двигатель BMW

Устройство двигателей внутреннего сгорания: какие бывают разновидности и конфигурации

В современных автомобилях обычно используют двигатели с количеством цилиндров от двух и более. При равном объёме двухцилиндровый мотор будет генерировать больший крутящий момент, чем одноцилиндровый, а четырехцилиндровый, соответственно, больше двухцилиндрового. Однако увеличение количества цилиндров должно быть разумным: несмотря на их эффективность, важно сохранить компактность и обеспечить хорошую смазку, подачу топлива и охлаждение для всех цилиндров.

В поисках идеального решения инженеры разработали различные схемы компоновки цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма. Наиболее распространённые – это рядная и V-образная компоновки.

Рядная схема – это когда шатуны нескольких цилиндров (от 2 до 6) устанавливаются на одном продольном коленчатом валу, каждый на отдельной «шейке», и цилиндры располагаются параллельно друг другу в едином блоке. Наиболее популярны исполнения с 4 и 6 цилиндрами.

style=»margin-left: 0; border: 1px solid #ccc; background-color: #f1f0f0; padding: 5px; font-size:12px; width: 82%;»>Рядный 4-цилиндровый двигатель в разрезе

V-образные двигатели, имеющие цилиндры расположенные в два ряда под углом (60, 90 или 45 градусов для мотоциклов), могут устанавливать по два шатуна на одной коренной «шейке». Наиболее надёжными и сбалансированными считаются V6 и V8 версии.

style=»margin-left: 0; border: 1px solid #ccc; background-color: #f1f0f0; padding: 5px; font-size:12px; width: 82%;»>V-образный двигатель в разрезе

Оппозитные двигатели могут быть двух типов: первый схож с V-образной компоновкой, где цилиндры расположены под углом 180 градусов и соединены на одной шейке с последовательным выходом в верхнюю мёртвую точку. Второй вариант имеет отдельные «колена» для каждого цилиндра, которые работают в противофазе, выходя в ВМТ одновременно.

style=»margin-left: 0; border: 1px solid #ccc; background-color: #f1f0f0; padding: 5px; font-size:12px; width: 82%;»>Оппозитный двигатель в разрезе

U-образная компоновка подразумевает «сращивание» двух рядных двигателей с независимыми кривошипными механизмами, вращающимися в противоположные стороны и рядами блоков. Преимущества сохраняются, как у «рядных» движков, плюс дополнительно нивелируются инерционные вибрации.

style=»margin-left: 0; border: 1px solid #ccc; background-color: #f1f0f0; padding: 5px; font-size:12px; width: 82%;»>U-образный двигатель Бугатти

VR двигатель – это устаревший (подобный концепции V-образной компоновки) тип с одним «коленом» и развалом цилиндров менее 20 градусов. Конструкция с рядно-смещённой схемой позволяет создать компактные двигатели с большой мощностью.

style=»margin-left: 0; border: 1px solid #ccc; background-color: #f1f0f0; padding: 5px; font-size:12px; width: 82%;»>VR двигатель в разрезе

W-двигатель – наиболее массивный вариант с тремя либо четырьмя рядами цилиндров, расположенных под углом от 30 до 50 градусов, шатуны которых установлены на едином коленвале. В основном, это 12-цилиндровые двигатели, форма которых напоминает букву W, обеспечивают высокий крутящий момент и используются преимущественно в спортивных автомобилях.

style=»margin-left: 0; border: 1px solid #ccc; background-color: #f1f0f0; padding: 5px; font-size:12px; width: 82%;»>W-образный двигатель в разрезе

Нестандартные виды двигателей автомобилей и их отличия от привычных нам ДВС

Эти двигатели не вписываются в привычные нам категории автомобильных моторов, но при этом успешно используются как в серийном, так и в малосерийном производстве: роторно-поршневые двигатели (также известные как РПД, RCV или двигатели Ванкеля) обладают как существенными недостатками, так и значительными достоинствами, которые делают их привлекательными для преданных фанатов.

Все японские автопроизводители получили лицензию на создание РПД ещё с 50-х годов прошлого века, однако лишь одна компания – Mazda – смогла сделать этот мощный, подвержённый перегреву и с низким ресурсом (от 30 до 150 тысяч километров) двигатель серийным. В 70-80 годы такие моторы также использовались в некоторых моделях Citroën, Chevrolet, Mercedes и даже в ограниченных выпусках автомобилей ВАЗ (для спецтранспорта ГАИ и милиции).

style=»margin-left: 0; border: 1px solid #ccc; background-color: #f1f0f0; padding: 5px; font-size:12px; width: 82%;»>Роторно-поршневой двигатель Мазда

Принцип работы РПД похож на вращение якоря в электродвигателе, только вместо тока используется энергия теплового расширения от сгораемой смеси бензина, масла и воздуха. Каждая плоскость ротора имеет углубление, которое выполняет роль камеры сгорания, и каждое окончание ротора снабжено уплотнением как у поршневого кольца. Захватывая порцию смеси, они последовательно движутся по кругу, проходя все 4 такта рабочего цикла за один оборот.

Этот принцип работы прост, но весьма эффективен: мощность одного (не турбированного!) блока объёмом 1.3 литра достигала 230-250 л.с. При необходимости, такие блоки можно соединять последовательно на одном валу, увеличивая мощность. Роторно-поршневой двигатель практически не вызывает вибраций, очень компактен и имеет высокий КПД, поэтому, несмотря на склонность к перегреву, сложность производства и небольшой срок службы, он всё равно продолжает улучшаться. Японские инженеры добились снижения «токсичности» роторов до стандартов Евро-4, а в будущем планируют адаптировать под «чистое» водородное топливо.

Вопросы по теме

Какой двигатель предпочтительнее для городских условий: бензиновый или дизельный?

При выборе двигателя для городских условий важно учесть, что бензиновые двигатели, как правило, предлагают более высокую динамику и меньшее время разогрева, что делает их предпочтительными для частых остановок и стартов. Дизельные двигатели, с другой стороны, более экономичны и обеспечивают больший пробег на одном баке, однако их преимущества становятся очевидными на длинных маршрутах, а не в городских условиях с частыми светофорами и пробками.

Как электродвигатели автомобилей меняют традиционные представления о характеристиках двигателей?

Электродвигатели полностью переосмысливают привычные характеристики, такие как мощность, крутящий момент и эффективность. В отличие от бензиновых и дизельных двигателей, электромобили достигают максимального момента уже с низких оборотов, что обеспечивает мгновенный разгон. Кроме того, электродвигатели значительно проще и требуют меньше обслуживания, что может повлиять на долгосрочные расходы владельца. Однако их зависимость от зарядной инфраструктуры и ограниченный запас хода все еще остаются проблемами, которые нужно учитывать.

Каковы основные преимущества и недостатки роторного двигателя по сравнению с традиционными поршневыми двигателями?

Роторные двигатели, которые используют ротационную систему вместо поршневой, обладают рядом преимуществ, включая компактные размеры, меньший вес и более высокую мощность на единицу объема. Это делает их популярными в спортивных автомобилях. Однако, среди недостатков можно выделить меньшую топливную эффективность и проблемы с надежностью, особенно в длительных поездках. Кроме того, роторные двигатели часто требуют более частого обслуживания, что может усложнить их использование в повседневной жизни.