Виды автомобильных двигателей — Vnedorognik Blog

Любой автоинженер начинает строить автомобиль с выбора двигателя. Эти агрегаты не только приводят автомобиль в движение, но и определяют качество езды. В процессе десятилетий разработок производители изобрели различные типы автомобильных двигателей, чтобы привнести инновации и эффективность в казалось бы такой давно придуманный механизм как мотор.

Эволюция автомобильных двигателей шла рука об руку с эволюцией новых моделей и типов автомобилей. Проще говоря, за этим стоит большая история. Сегодняшние автомобильные двигатели сложны и специально разработаны для удовлетворения потребностей различных клиентов.

Некоторые люди предпочитают большую мощность, в то время как другие больше заботятся о топливной экономичности. Чтобы удовлетворить потребности всех типов клиентов, автопроизводители за последние несколько десятилетий разработали целый ряд различных типов двигателей. Сегодня, чтобы расширить ваши знания о двигателях, мы расскажем о каждом из существующих типов автомобильных моторов и покажем чем одни лучше других.

Содержание:

• Сколько видов автомобильных двигателей существует?
• Типы автомобильных двигателей
• Конфигурации ДВС
• Ограничение двигателей внутреннего сгорания
• Будущее автомобильных двигателей

Сколько типов автомобильных двигателей существует?

Технология автодвигателей прошла долгий путь с момента их появления в 1885 году. Они вышли за рамки простого парового мотора и превратились в более сложное и замысловатое инженерное произведение.

Тем не менее, все варианты, которые вы видите, относятся к следующим категориям:

• Двигатели внутреннего сгорания
• Электрическая силовая установка
• Гибридные установки

Эти три категории породили разнообразные конструкции и воплощения. Постоянная гонка по производству более эффективных силовых агрегатов и соблюдению экологических норм сделала их лучше.

Хотя современные двигатели похожи на те, что были десятилетия назад, они отличаются друг от друга по технологиям и эффективности. Новые нормы ужесточили требования к производителям, что неизбежно привело к появлению более эффективных моделей, способных выжимать больше мощности с каждого грамма топлива.

Типы моторов для автомобилей

• Двигатели внутреннего сгорания

Этот силовой агрегат является одним из самых распространенных и универсальных, используемых сегодня. Он начал свою жизнь как одноцилиндровый двухтактный мотор в 19 веке и эволюционировал в различные конфигурации. Производители продолжают совершенствовать этот тип двигателя для повышения мощности и эффективности чтобы конкурировать с гибридными и электроустановками.

Двигатели внутреннего сгорания производят энергию за счет сгорания топлива в контролируемой камере. Затем мощность передается на колеса через трансмиссию. Вкратце так можно описать работу любого бензинового или дизельного мотора.

Среди трех типов автомобильных двигателей, перечисленных выше, это единственный тип, который использует исключительно ископаемое топливо — нефть. Это может быть бензин, газ или дизель, в зависимости от типа сгорания. Это приводит нас к двум основным видам двигателей внутреннего сгорания.

Виды двигателей внутреннего сгорания

• Двигатели с воспламенением от искры
• Моторы с воспламенением от сжатия

Двигатели с системой зажигания

Ревущий звук, который вы часто слышите в суперкарах, исходит именно от этих двигателей, хотя и с некоторыми модификациями. Ими оснащается большая часть автомобилей с силовыми агрегатами внутреннего сгорания.

Этот тип двигателя имеет цилиндры или камеры сгорания, в которых происходит реакция воздух-топливо. Инжекторы (или карбюратор в старых моторах) подают топливо в камеру, а впускные клапаны позволяют определенному количеству воздуха смешиваться с топливом.

Затем свеча зажигания поджигает смесь, вызывая ее горение. В результате этой реакции выделяется огромная энергия, которая толкает поршень в камере вниз. Это действие вращает маховик через соединение с коленчатым валом и далее крутящий момент переходит на колеса.

На этом этапе мы должны перечислить компоненты для ясности и легкого отличия от других типов автомобильных двигателей. Составные части следующие:

• Цилиндры: В этих камерах происходит процесс сгорания топлива
• Впускные клапаны : Впускают воздух в камеру сгорания
• Инжекторы или карбюраторы: Впрыскивают дозированное топливо в камеру
• Свечи зажигания: Воспламеняют топливовоздушную смесь
• Выхлопные клапаны: Удаляют сгоревшую смесь
• Поршни: Передают направленную вниз силу сгорания на коленчатый вал
• Коленчатый вал: Преобразует вертикальное движение поршней в круговое движение.
• Маховик: Переносит энергию от двигателя и соединяется с трансмиссией.

Основным компонентом двигателей с системой зажигания является свеча зажигания. Без нее не будет сгорания и выработки энергии.

Эти силовые агрегаты используют более легкую форму нефти — бензин, для создания необходимой мощности. Как следствие, они быстрее сгорают и требуют более частой дозаправки. Давайте посмотрим, как обстоят дела с дизельным аналогом.

Двигатели с воспламенением от сжатия

Этот тип схож с мотором, использующим искровое зажигание. В нем используется камера сгорания и все остальные компоненты, но отсутствуют свечи зажигания.

Процесс поджигания топлива здесь происходит за счет комбинации тепла, воздуха и давления. Как только давление от поршня достигает заданного значения, происходит воспламенение топливовоздушной смеси.

Легкие нефтепродукты, такие как бензин, не могут сгорать под давлением. Поэтому в двигателях с воспламенением от сжатия используются более тяжелые продукты, среди которых, наибольшей популярностью пользуется дизельное топливо. Остальная часть процесса от сгорания до приведения в действие трансмиссии, остается неизменной. Однако использование дизельного топлива имеет некоторые преимущества.

Дизель — более тяжелый углеводород и сгорает гораздо медленнее, чем бензин. Поэтому частота дозаправки ниже, чем у вариантов с искровым зажиганием. Кроме того, дизельные агрегаты производят больше мощности на каждый грамм топлива в сравнении с бензиновыми решениями. Поэтому они используются в грузовых автомобилях и транспортных средствах большой грузоподъемности.

Варианты с компрессией и искровым зажиганием являются одними из самых распространенных типов автомобильных двигателей, которые можно встретить на дорогах. Однако новые правила постепенно выводят их из употребления — подробнее об этом чуть позже.

Конфигурации ДВС

Силовые агрегаты внутреннего сгорания имеют различные конфигурации в зависимости от разработанной производителем конструкции.

Каждая конфигурация, основанная на расположении цилиндров, имеет уникальные преимущества и ограничения.

Конфигурации двигателей внутреннего сгорания:

Рядные двигатели

Эта конфигурация является самой простой из всех. Простота и легкость сборки делают ее конструкцией выбора для производителей автомобильных двигателей типа сгорания.

Цилиндры расположены по прямой линии и часто называются «прямыми двигателями». Они могут располагаться параллельно или перпендикулярно относительно автомобиля, в зависимости от компоновки. В любом случае, их компактность дает им преимущество перед другими конфигурациями.

Такие двигатели распространены в автомобилях начального уровня, включая хэтчбеки и седаны. Они потребляют меньше топлива и часто обладают наименьшей мощностью, наряду с другими типами автомобильных двигателей. Однако такие дополнительные устройства, как турбокомпрессоры, могут сравнять их производительность в сравнении со следующими конфигурациями.

V-образные двигатели

В этой конфигурации цилиндры образуют V-образную форму с равным количеством циллиндров по обе стороны формы. Они мощные и присутствуют почти во всех высокопроизводительных автомобилях. V-образные двигатели имеют некоторые преимущества перед прямыми вариантами.

Производители могут добавлять больше цилиндров, сохраняя при этом компактный вид. Они все еще могут получить невероятную мощность, даже при своих небольших размерах.

Несмотря на это, V-образные двигатели переносят больше вибраций, чем другие типы автомобильных двигателей. Но это не помешало им стать источником энергии для спортивных автомобилей и гиперкаров и вызывать восторг у миллионов автомобильных фанатов на каждом континенте.

W-образные двигатели

Двигатель W-образной конструкции впервые появился в 1909 году, когда трехконтурный двигатель Anzani был использован для приведения в движение аэроплана Blériot XI для пересечения Ла-Манша. Однако первое коммерческое использование этого двигателя в автомобильной промышленности было осуществлено компанией Volkswagen.

Существует три различных конфигурации W-образного (или двойного V-образного) мотора:
• Первая конфигурация состоит из трех блоков цилиндров, имеющих общий коленчатый вал. Из-за сходства с британской маркой Broad Arrow она также известна как конфигурация Broad Arrow.
• Вторая конфигурация состоит из четырех блоков цилиндров, имеющих общий коленчатый вал. Этот двигатель также известен как «double-V».
• Третья и последняя конфигурация — это двигатель с двумя банками цилиндров и двумя коленчатыми валами.

W-образные двигатели в основном используются в автомобилях концерна Volkswagen. Bugatti Veyron — самый известный пример автомобиля с мотором этой конфигурации (W16).

Оппозитные двигатели (Flat Head)

Плоская конфигурация — это последний и менее распространенный тип двигателя внутреннего сгорания. В этой конструкции цилиндры расположены горизонтально по обе стороны от коленчатого вала.

Плоские двигатели имеют низкий центр тяжести, что значительно улучшает управляемость. Однако они более дорогие и сложные в производстве. Лишь несколько автомобильных марок все еще производят их, включая Subaru и Porsche — делая лучшие оппозитные моторы, выдающие особый и неповторимый звук.

Ограничения двигателей внутреннего сгорания

Сегодня ДВС имеют следующие ограничения:

• Выбросы

Несмотря на гигантские успехи в их разработке, двигатели внутреннего сгорания не избавлены от вредных выбросов. В связи с глобальным потеплением, занимающим большую часть дискуссий о климате, их использование постепенно сокращается. Большинство продвинутых стран планируют постепенно отказаться от этих силовых агрегатов к 2050 году.

В идеале двигатели внутреннего сгорания должны производить CO2 и воду после сгорания. Часто это не так, что приводит к образованию СО — токсичного газа в атмосфере Земли.

• Высокие эксплуатационные расходы

Двигатели внутреннего сгорания требуют регулярного обслуживания для поддержания их в рабочем состоянии. Часто водители должны менять масла для предотвращения поломок. И расходы на обслуживание с ужесточением норм выбросов, а впоследствии увеличением сложности двигателей, могут быстро стать значительными и склонить покупателей к альтернативам ДВС.

• Электрические двигатели

Несмотря на то, что только недавно в мире началось внедрение электромобилей, эта технология появилась еще в 19 веке. Новый толчок был сделан в попытке сократить выбросы парниковых газов уже в 21 веке.

Использование этих типов автомобильных двигателей, кажется, полностью исключает выбросы от двигателей. Хотя это действительно так, электромобили вполне могут стать будущим автомобилей.

В отличие от двигателя внутреннего сгорания, электромобили имеют простую архитектуру. Это подводит нас к основным компонентам электрических двигателей, которые выглядят следующим образом:

Электродвигатели: Вместо камер сгорания, которые приводят в движение коленчатый вал, электромоторы приводят в движение колеса. Некоторые производители могут использовать электродвигатели для каждого колеса или два — для переднего и заднего. Кроме того, они могут быть как переменного, так и постоянного тока; выбор определяет необходимость использования инвертора.

Инвертор: Этот компонент преобразует постоянный ток от батарей в переменный для привода двигателей. Он необходим только в том случае, если двигатели работают от сети переменного тока.

Аккумулятор: В обычных автомобильных двигателях для получения необходимой мощности используется смесь топлива и воздуха. В электромобиле энергию для привода двигателей «отдают» аккумуляторы.Электрические двигатели являются отличительной чертой большинства экологически чистых автомобилей из-за отсутствия вредных выбросов.

• Гибридные двигатели

Одно можно сказать наверняка, читаете ли вы эту статью с мобильного или ноутбука — аккумулятор вашего устройства разрядится, если вы не будете его заряжать. То же самое неизбежно происходит и с электрическими двигателями.

Чтобы решить эту проблему, производители придумали способ заряжать аккумуляторы во время движения. Это привело к появлению гибридного двигателя — комбинации двигателя внутреннего сгорания и электрического двигателя (чаще всего).

Помимо сочетания лучших свойств аккумуляторов и двигателей внутреннего сгорания, гибридные конструкции имеют ряд преимуществ. Одно из них — снижение выбросов вредных веществ по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Другим преимуществом является мгновенное ощущение прироста крутящего момента, которое дают электродвигатели. Несмотря на развитие технологий, двигатели внутреннего сгорания отстают в первые секунды разгона.

Производители многих суперкаров сейчас используют гибридные двигатели, чтобы получить мгновенный крутящий момент и сохранить мощность двигателей внутреннего сгорания.

Гибридная силовая установка занимает уникальное место среди различных типов автомобильных двигателей. Основным движущим фактором может быть как двигатель внутреннего сгорания, так и электромоторы.

Следовательно, гибридные двигатели имеют различные конфигурации. В городских автомобилях в качестве основного движущегося элемента используются электродвигатели, а в спортивных автомобилях основной «силой движения» являются ДВС.

Будущее автомобильных двигателей

Современная тенденция показывает, что электрическая энергия превзойдет, и в конечном итоге заменит другие типы автомобильных двигателей. Она продемонстрировала огромный потенциал для развития транспортного сектора.

К многочисленным преимуществам электрических двигателей относятся:

• Сокращение или отсутствие выбросов.
• Минимальное шумовое воздействие.
• Снижение зависимости от нефти и нефтепродуктов.
• Гибкость конструкции построения автомобиля.

Несмотря на многочисленные преимущества, электрические двигатели не лишены ограничений. Стоимость производства аккумуляторных батарей растет, и возникают опасения по поводу добычи полезных ископаемых.

Кроме того, производство батарей загрязняет окружающую среду больше, чем двигатели внутреннего сгорания. Но будущие технологические разработки скорее всего сделают добычу и производство батарей более экологичными и повысят их эффективность, оставив позади текущие разработки ДВС.

Что в итоге?

Автомобили прошли долгий путь развития, и одним из основных направлений является разработка новых типов автомобильных двигателей.

Инновации продолжаются, и пока что двигатели внутреннего сгорания все ещё самые долговечные и распространенные в мире. и хоть в продвинутых странах от них начинают отказываться, в странах третьего мира ДВС еще долго будут использоваться.

В будущем мы будем наблюдать инновации во всех трех конфигурациях автомобильных двигателей. Независимо от того, будет ли у нас больше электромобилей или других типов моторов, в основе любой новой разработки будут лежать нормы выбросов и эффективность.

Увидимся в бущущем!

Подписывайтесь на наши соцсети




Автор: Максим Перепелица

10 самых необычных автомобильных двигателей внутреннего сгорания

Одноцилиндровый двигатель

Benz Patent-Motorwagen, построенный Карлом Бенцем в 1885 году и считающийся первым автомобилем в истории, оснащался одноцилиндровым четырёхтактным двигателем объёмом 954 «кубика». Спустя почти десятилетие, в 1894 году, собрали 25 машин с таким мотором мощностью от 1,5 до 3 сил.

На протяжении многих лет одноцилиндровые ДВС использовались на небольших городских автомобилях, но при этом были не такими уж распространёнными. Чаще всего их можно встретить в мире двухколёсной техники: на скутерах и мотоциклах.

Роторно-поршневой двигатель (РПД)

Также называемый двигателем Ванкеля, этот мотор в большей степени стал известен благодаря автомобилям Mazda. Считается, что его изобрёл в конце 1920-х годов немецкий инженер-самоучка Феликс Ванкель. Одними из первых такой ДВС получили автомобили NSU. Также роторно-поршневой двигатель ставили на мотоциклы Norton и Suzuki. Но абсолютным рекордсменом по числу моделей, оснащённых им, была все же Mazda (RX-3, RX-7 и RX-8).

В 1991 году гоночная Mazda 787B победила в «24 часах Ле-Мана», став первым автомобилем с РПД, достигшим такого результата. Хотя, она же была и последним, поскольку на следующий год машинам с таким типом мотора запретили участвовать в гонке.

Кстати, наш АвтоВАЗ тоже проектировал роторно-поршневые двигатели. И даже выпускал их малыми сериями.

V16

Поскольку эквивалентным по рабочему объёму моторам V8 и V12 удавалось обеспечивать такие же мощностные характеристики, двигатель V16 не получил широкого распространения в автомобильной промышленности. Хотя несколько любопытных примеров его использования всё же имеют место быть.

Начиная с марки Cadillac, которая первой стала устанавливать такой мотор в 30-х годах прошлого века, продолжая спорткаром Cizeta V16T (на фото) и заканчивая очень редким седаном BMW 767iL в кузове Е32. А ещё двигателями V16 оснащали свои гоночные болиды Alfa Romeo («Тип 316» и «Тип 162») и Auto Union.

V-Twin

Любители мотоциклов хорошо знакомы с этим типом двигателя, который представляет собой V-образный двухцилиндровый агрегат, также обозначаемый V2. Он получил широкое распространение в мире двухколёсной техники и ставился на байки таких марок, как Harley-Davidson, Indian, Suzuki, Honda, Aprilia, Kawasaki и Yamaha.

Впрочем, двигателями V2 в 1920-х годах оснащали и автомобили. Спустя 40 лет Mazda даже выпускала с таким мотором ситикар R360. На сегодняшний день V-Twin встречается только на эффектном Morgan Threewheeler. Причём эта V-образная «двойка» выставлена напоказ перед кузовом.

Газотурбинный двигатель

До сих пор мы говорили только о поршневых ДВС. Однако, в автомобильной истории встречались и куда более экзотические моторы – газотурбинные. Пожалуй, самой известной машиной подобного рода являлась двухдверка, выпущенная для «Крайслера» компанией Ghia в период с 1963 по 1964 годы.

Тираж необычного купе составил всего 55 экземпляров, из которых пять были прототипами и 50 — серийными для будущих покупателей. Все они построены в оригинальных кузовах фирмы Ghia. Модель не получила собственного имени и потому стала известной просто как Chrysler Turbine Car, то есть «турбинный автомобиль Крайслер».

На машину установили газотурбинный двигатель A-831, способный работать буквально на всём, что горит: от бензина и керосина до соевого масла, текилы и даже женских духов. Отдача составляла чуть более 130 сил, а турбина раскручивалась до 60 000 об/мин.

Несмотря на то, что автомобиль успешно прошел испытания на дорогах общего пользования, Chrysler свернул проект. Отчасти из-за финансового кризиса в автоконцерне, а также по причине подготовки к введению первых американских стандартов ограничения токсичности выхлопа.

V5

На самом деле, Audi, Volvo, Mercedes-Benz и Fiat неоднократно оснащали свои модели пятицилиндровыми двигателями. Но обычно они были рядными, V-образный вариант такого мотора – редкость.

Тем не менее, в 1997 году Volkswagen выпустил собственный V5 рабочим объёмом 2,3 л и мощностью 150 л.с. (была и 170-сильная версия с четырьмя клапанами на цилиндр). Этот мотор, известный как VR5, получился не очень удачным и успел засветиться лишь на нескольких моделях концерна: Volkswagen Golf, Bora и Seat Toledo.

8 цилиндров в ряд

В первой половине 20 века рядные «восьмёрки» были довольно распространённым типом двигателя, особенно в Америке. Однако, со временем эти агрегаты уступили место гораздо более компактным V8.

В Европе одним из первых рядные «восьмерки» начал использовать Daimler, позже они появились на Bugatti и Opel, гоночных Duesenberg и Alfa Romeo. А одним из последних был Mercedes-Benz 300 SLR, на котором Стирлинг Мосс (на фото) выиграл Mille Miglia 1955 года.

V4

Хотя четырехцилиндровый V-образный двигатель – явление для автопрома достаточно редкое, некоторые компании всё же оснащали им свои модели. Среди первых был гоночный французский Mors. Затем такой мотор появился у «Лянчи»: сперва на Lambda (первом серийном автомобиле с несущим кузовом), а затем и на Fulvia. Кроме того, найти V4 можно под капотами Ford Taunus (1962-1981 годы) и некоторых моделей Saab. Не будем забывать и о советских «Запорожцах» с агрегатами воздушного охлаждения.

Последним, кто использовал на своих машинах двигатель V4, была компания Porsche. Именно V-образная двухлитровая бензиновая «четвёрка» работала в составе гибридной силовой установки победителя «24-часов Ле-Мана» — Porsche 919 Hybrid.

h26

Такой двигатель был разработан фирмой British Racing Motors (BRM) и, по сути, представлял собой комбинацию из блоков двух оппозитников.

Экзотический мотор стоял на гоночной BRM P83, построенной для Формулы 1 и пилотируемой Грэмом Хиллом и Джеки Стюартом. А ещё на Lotus 43/1 (на фото), на котором Джим Кларк победил в Гран-При США 1966 года.

W8

Моторы с W-образным расположением цилиндров были детищем Volkswagen Group, оснастившей шестилитровым W12 топовые модели Volkswagen Phaeton, Touareg, Audi A8 и Bentley Continental GT.

Впрочем, был у немцев и менее известный восьмицилиндровый агрегат такой же конфигурации. В 2002 году им комплектовали самые дорогие и мощные полноприводные версии «Пассата».

Это был четырёхлитровый агрегат отдачей 275 сил и 370 Нм. По сути, он представлял собой комбинацию из двух блоков V4. И, кстати, не славился надёжностью из-за сложной конструкции.

Новейшие слайд-шоу

7 автомобилей (дорогих и не очень) известных всем юмористов
7 оттенков зеленого: автомобили к празднику клевера и рыжих
От механика до президента: 7 смелых женщин из мира автобизнеса
С них началась Победа: 5 самых грозных бронеавтомобилей СССР
Лучшее за 2021 год: 7 неожиданных машин Джеймса Бонда
10 кроссоверов и внедорожников, которые так и не познали успеха

12 / 12

21 Март 2020 в 15:00

Сергей Удачин

Автор: Хавьер Альварес

Перевод: Сергей Удачин

Автомобильный мир богат самыми разными вариациями двигателей внутреннего сгорания. В последние годы на волне даунсайзинга особо популярны компактные моторы небольшого рабочего объёма с четырьмя, тремя, а иногда даже двумя цилиндрами. Встречаются атмосферные, с турбокомпрессором или с механическим нагнетателем, а также гибридные.

Но сегодня мы поговорим о самых редких и необычных ДВС, какие только можно встретить в природе. Многие из них — с нехарактерным числом и расположением цилиндров. Одни даже не выпускали серийно, а другие ставили лишь на редкие модели. Листайте галерею и узнайте, что это за диковинные моторы!

Какие бывают двигатели внутреннего сгорания?

Внутреннее сгорание означает именно то, что написано: топливо сгорает внутри двигателя. В двигателе автомобиля бензин сгорает внутри двигателя, который воспламеняет топливо и высвобождает энергию, приводящую в движение автомобиль. Существуют также другие методы внутреннего сгорания, такие как дизельные двигатели и газотурбинные двигатели. Внутреннее сгорание — это эффективная система, для создания движения которой требуется относительно небольшой двигатель. Он также более экономичен по топливу, чем двигатели внешнего сгорания, такие как старомодный паровой двигатель.

Раньше бензиновые двигатели были такими же неэффективными, как и паровые. В 1876 году был изобретен бензиновый двигатель, который был не более эффективен, чем паровой двигатель, в котором использовалось внешнее сгорание. Было потрачено много топлива. В 1878 году Рудольф Дизель решил разработать двигатель с более высоким КПД, а в 1892 году родился дизельный двигатель. Он был более эффективным, чем двигатель внутреннего сгорания, но потребовалось еще много лет, чтобы разработать дизельный двигатель, который был бы чище и тише. Ранние дизельные двигатели извергали сажистый дым и поначалу использовались только в грузовиках. Сегодня новые достижения в этом методе внутреннего сгорания улучшили дизельный двигатель. Разница между бензиновыми и дизельными двигателями заключается в способе преобразования топлива в энергию.

Реклама

Турбины — еще один метод, используемый для создания энергии с помощью вращательного движения. Есть ветряные турбины, паровые турбины, гидротурбины, а также газовые турбины. Газовые турбины работают по принципу внутреннего сгорания. В современном газотурбинном двигателе двигатель производит собственный сжатый газ за счет сжигания топлива. Двигатель может работать на пропане, природном газе, керосине или реактивном топливе. Горящее топливо создает тепло, тепло, в свою очередь, расширяет воздух, и высокоскоростной поток горячего воздуха раскручивает турбину.

Первоначально опубликовано: 27 июля 2011 г.

Часто задаваемые вопросы о двигателе внутреннего сгорания

Что такое двигатель внутреннего сгорания?

Внутреннее сгорание означает именно то, что написано: топливо сгорает внутри двигателя.

Какие основные части двигателя внутреннего сгорания?

Некоторые из основных частей двигателя внутреннего сгорания включают поршень, цилиндр, блок цилиндров и коленчатый вал.

Какие существуют основные типы двигателей внутреннего сгорания?

Двумя другими типами двигателей внутреннего сгорания являются дизельные двигатели и газотурбинные двигатели.

Какова функция двигателя внутреннего сгорания?

В автомобильном двигателе бензин сгорает внутри двигателя, который воспламеняет топливо и высвобождает энергию, приводящую в движение автомобиль.

Чем отличаются бензиновые и дизельные двигатели?

Разница между газовыми и дизельными двигателями заключается в способе преобразования топлива в энергию.

​

Процитируйте это!

Пожалуйста, скопируйте/вставьте следующий текст, чтобы правильно цитировать эту статью HowStuffWorks.com:

HowStuffWorks.com Contributors «Какие бывают двигатели внутреннего сгорания?» 27 июля 2011 г.
HowStuffWorks.com. 12 июня 2023 г.

Citation

ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Двигатель внутреннего сгорания (ВС) был основным двигателем в нашем обществе с момента его изобретения в последней четверти XIX века.век [подробнее см. , например, Heywood (1988)]. Его цель состоит в том, чтобы генерировать механическую энергию из химической энергии, содержащейся в топливе и высвобождаемой при сгорании топлива внутри двигателя. Именно этот конкретный момент, когда топливо сжигается внутри рабочей части двигателя, дает двигателям внутреннего сгорания их название и отличает их от других типов, таких как двигатели внешнего сгорания. Хотя газовые турбины удовлетворяют определению двигателя внутреннего сгорания, этот термин традиционно ассоциируется с с искровым зажиганием (иногда называемые Отто, бензиновые или бензиновые двигатели ) и дизельные двигатели (или двигатели с воспламенением от сжатия ).

Двигатели внутреннего сгорания используются в различных устройствах, от судовых силовых установок и электростанций мощностью более 100 МВт до ручных инструментов, мощность которых составляет менее 100 Вт. Это означает, что размер и характеристики современных двигателей сильно различаются между от крупных дизелей с диаметром цилиндра более 1000 мм, совершающих возвратно-поступательные движения со скоростью до 100 об/мин, до небольших бензиновых двухтактных двигателей с диаметром цилиндра около 20 мм. В эти две крайности входят среднеоборотные дизельные двигатели, автомобильные дизели большой мощности, двигатели грузовых и легковых автомобилей, авиационные двигатели, двигатели мотоциклов и небольшие промышленные двигатели. Из всех этих типов бензиновые и дизельные двигатели для легковых автомобилей занимают видное место, поскольку они, безусловно, являются самыми крупными двигателями, производимыми в мире; как таковые, их влияние на социальную и экономическую жизнь имеет первостепенное значение.

Большинство поршневых двигателей внутреннего сгорания работают по так называемому четырехтактному циклу (рис. 1), который подразделяется на четыре процесса: впуск, сжатие, расширение/мощность и выпуск. Каждый цилиндр двигателя требует четырех ходов поршня, что соответствует двум оборотам коленчатого вала, чтобы завершить последовательность, которая приводит к производству мощности.

Рисунок 1. Цикл четырехтактного двигателя.

Такт впуска начинается с движения поршня вниз, который всасывает в цилиндр свежую топливно-воздушную смесь через порт/клапан в сборе, и заканчивается, когда поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ). Смесь образуется либо с помощью карбюратора (как в обычных двигателях), либо путем впрыска бензина под низким давлением во впускной канал через форсунку игольчатого типа с электронным управлением (как в более совершенных двигателях). По сути, процесс впуска начинается с открытия впускного клапана непосредственно перед верхней мертвой точкой (ВМТ) и заканчивается, когда впускной клапан (или клапаны в двигателях с четырьмя клапанами на цилиндр) закрывается вскоре после НМТ. Время закрытия впускного клапана (клапанов) зависит от конструкции впускного коллектора, которая влияет на газодинамику и объемный КПД двигателя, а также на частоту вращения двигателя.

За тактом впуска следует такт сжатия , который фактически начинается при закрытии впускного клапана. Его целью является подготовка смеси к горению за счет повышения ее температуры и давления. Сгорание инициируется энергией, выделяемой через свечу зажигания в конце такта сжатия, и связано с быстрым повышением давления в цилиндре.

Такт мощности или расширения начинается с поршня в ВМТ сжатия и заканчивается в НМТ. В этот момент газы высокой температуры и высокого давления, образующиеся при сгорании, толкают поршень вниз, тем самым заставляя кривошип вращаться. Непосредственно перед тем, как поршень достигает НМТ, выпускной клапан (клапаны) открывается, и сгоревшие газы выходят из цилиндра из-за перепада давления между цилиндром и выпускным коллектором.

Этот выпускной такт завершает цикл двигателя, удаляя из цилиндра сгоревшие, частично сгоревшие или даже несгоревшие газы, выходящие из процесса сгорания; следующий цикл двигателя начинается, когда впускной клапан открывается около ВМТ, а выпускной клапан закрывается на несколько градусов позже угла поворота коленчатого вала.

Важно отметить, что свойства бензина в сочетании с геометрией камеры сгорания оказывают существенное влияние на продолжительность сгорания, скорость повышения давления и образование загрязняющих веществ . При определенных условиях смесь на конце газа может самовоспламениться до того, как пламя достигнет этой части цилиндра, что приведет к стуку , что порождает колебания давления высокой интенсивности и частоты.

Свойство бензинового топлива сопротивляться самовоспламенению и таким образом предотвращать возможное повреждение двигателя в результате детонации характеризуется его октановым числом . До недавнего времени добавление небольшого количества свинца в бензин было предпочтительным методом подавления детонации, но связанные с этим риски для здоровья в сочетании с необходимостью использования катализаторов для снижения выбросов выхлопных газов обусловили необходимость использования неэтилированного бензина. Это требует уменьшения степени сжатия двигателя (отношение объема цилиндра в НМТ к объему в ВМТ), чтобы предотвратить детонацию с нежелательным влиянием на тепловой КПД.

Как уже упоминалось, четырехтактный цикл, также известный как цикл Отто в честь его изобретателя Николауса Отто, построившего первый двигатель в 1876 году, производит рабочий такт за каждые два оборота коленчатого вала. Одним из способов увеличения выходной мощности двигателя данного размера является преобразование его в двухтактный цикл (рис. 2), в котором мощность вырабатывается при каждом обороте двигателя.

Рисунок 2. Цикл двухтактного двигателя.

Поскольку этот режим работы приводит к увеличению выходной мощности, хотя и не до двойного уровня, ожидаемого при простых расчетах, он широко используется в мотоциклах, легковых автомобилях и морских судах как с искровым зажиганием, так и с дизельными двигателями. Дополнительным преимуществом является простая конструкция двухтактных двигателей, поскольку они могут работать с боковыми отверстиями в гильзе, закрывающимися и открываемыми движением поршня, вместо громоздкой и сложной конструкции с верхним кулачком.

В двухтактном цикле такт сжатия начинается после того, как впускное и выпускное отверстия закрываются поршнем; топливно-воздушная смесь сжимается, а затем воспламеняется свечой зажигания, аналогично воспламенению в четырехтактном бензиновом двигателе, чтобы инициировать сгорание вблизи ВМТ. При этом в картер допускается поступление свежего заряда перед последующим его сжатием движущимся вниз поршнем во время рабочего такта или такта расширения . В этот период сгоревшие газы толкают поршень до тех пор, пока он не достигнет НМТ, что позволяет открыть сначала выпускные, а затем впускные (перекачивающие) каналы. Открытие выпускных отверстий позволяет сгоревшим газам выходить из цилиндра, в то время как частично в то же время свежий заряд, сжатый в картере, поступает в цилиндр через правильно ориентированные передаточные отверстия.

Перекрытие тактов впуска и выпуска в двухтактных двигателях является причиной того, что часть свежего заряда вытекает непосредственно из цилиндра в процессе продувки. Несмотря на различные попытки уменьшить масштабы этой проблемы путем введения дефлектора в поршень (рис. 2) и направления поступающего заряда в сторону от расположения выпускных отверстий, эффективность наддува в обычных двухтактных двигателях остается относительно низкой. Решением этой проблемы является подача топлива непосредственно в цилиндр, отдельно от свежего воздуха, через пневматические форсунки в период, когда и выпускное, и перепускное отверстия закрыты. Несмотря на короткий период, доступный для смешивания, распылители с подачей воздуха могут обеспечить гомогенную обедненную смесь во время воспламенения, генерируя капли бензина со средним диаметром менее 40 мкм, которые очень легко испаряются во время такта сжатия.

Среди различных типов двигателей внутреннего сгорания дизельный двигатель или двигатель с воспламенением от сжатия известен своим высоким КПД, сниженным расходом топлива и относительно низким общим выбросом газов. Его название происходит от имени немецкого инженера Рудольфа Дизеля (1858–1913 гг.), который в 1892 г. описал в своем патенте форму двигателя внутреннего сгорания, не требующую внешнего источника воспламенения и в которой сгорание инициируется самовоспламенением жидкого топлива, впрыскиваемого в двигатель. высокая температура и давление воздуха в конце такта сжатия.

Неотъемлемые преимущества эффективности дизельного двигателя проистекают из его обедненной общей смеси, высокой степени сжатия двигателя, обеспечиваемой отсутствием воспламенения конечных газов (детонации) и более высокими степенями расширения. Как следствие, дизельные двигатели в двухтактной или четырехтактной конфигурации традиционно были предпочтительными силовыми установками для коммерческого применения, такого как корабли/лодки, энергогенераторы, локомотивы и гусеницы, и за последние 20 лет или около того , легковых автомобилей, а особенно в Европе.

Недостаток дизельных двигателей с низкой выходной мощностью был устранен за счет использования нагнетателей или турбонагнетателей, которые увеличивают отношение мощности к весу двигателя за счет увеличения плотности воздуха на входе. Ожидается, что турбокомпрессоры станут стандартными компонентами всех будущих дизельных двигателей, независимо от области применения.

Работа дизельного двигателя отличается от работы двигателя с искровым зажиганием главным образом способом образования смеси перед сгоранием. Только воздух вводится в двигатель через спиральный или направленный порт, а топливо смешивается с воздухом во время такта сжатия, после его впрыска под высоким давлением в форкамерный дизель с непрямым впрыском или IDI) или в основную камеру (дизель с непосредственным впрыском). или DI) непосредственно перед началом горения.

Потребность в хорошем смешивании топлива с воздухом в дизельных двигателях удовлетворяется системами впрыска топлива под высоким давлением, которые создают капли со средним диаметром около 40 мкм. Для легковых автомобилей системы впрыска топлива состоят из роторного насоса, нагнетательных трубок и форсунок топливных форсунок, которые различаются по своей конструкции в зависимости от применения; в дизельных двигателях с непосредственным впрыском используются форсунки с отверстиями, а в дизелях с непрямым впрыском используются форсунки игольчатого типа. В более крупных дизельных двигателях используются рядные топливные насосы высокого давления, насос-форсунки (насос и форсунка объединены в один блок) или отдельные одноствольные насосы, которые устанавливаются рядом с каждым цилиндром.

За последние 20 лет или около того осознание того, что ресурсы сырой нефти ограничены и что окружающая среда, в которой мы живем, становится все более и более загрязненной, побудило правительства принять законы, ограничивающие уровни выбросов выхлопных газов транспортных средств. и двигателей всех типов. С момента их введения в Японии и США в конце 60-х годов и в Европе в 1970 году нормы выбросов постоянно становятся все более строгими, и производители двигателей сталкиваются с самой сложной задачей, связанной со стандартами, согласованными для 19 лет.96 и далее, которые обобщены для легковых автомобилей в таблице  1. Ожидается, что новые стандарты, которые будут введены в Европе в 2000 году, будут еще ниже, после калифорнийских уровней, которые требуют нулевых уровней выбросов после начала века. Однако неясно, удовлетворят ли существующие двигатели этим ограничениям, несмотря на отчаянные попытки инженеров по всему миру.

Таблица 1. Европейские нормы выбросов за 1996 год

Рисунок 3. Модель трехкомпонентного каталитического нейтрализатора.

Из таблицы 1 видно, что основными загрязняющими веществами в двигателях с искровым зажиганием являются углеводороды (HC), монооксид углерода (CO) и оксиды азота (NO _x = NO + NO ₂ ), а в дизельных двигателях , NO _x и твердые частицы, состоящие из частиц сажи, образующихся при сгорании смазочного масла и углеводородов, являются наиболее вредными.

В настоящее время трехкомпонентные катализаторы, являющиеся стандартным компонентом современных легковых автомобилей, оснащенных двигателями с искровым зажиганием, работающими на неэтилированном бензине, пропускают около 90% сокращение выбросов HC, CO и NO _x путем их преобразования в диоксид углерода (CO ₂ ), воду (H ₂ O) и N ₂ .

К сожалению, эти катализаторы требуют стехиометрической (соотношение воздух-топливо ~14,5) работы двигателя, что нежелательно как с точки зрения расхода топлива, так и с точки зрения выбросов CO ₂ . Альтернативным подходом является концепция сжигания обедненной смеси, которая обещает одновременное снижение расхода топлива и выбросов выхлопных газов за счет удовлетворительного сжигания бедных смесей с соотношением воздух-топливо намного выше 20. Ожидается, что разработка катализаторов сжигания обедненной смеси с эффективностью преобразования более 60% может позволить двигателям, работающим на обедненной смеси, соответствовать требованиям будущего законодательства по выбросам; это область активных исследований как в промышленности, так и в научных кругах. С другой стороны, новые дизельные двигатели зависят от двухкомпонентных или окислительных катализаторов для снижения содержания твердых частиц в выхлопных газах за счет преобразования углеводородов в CO 9 .0134 2 и H ₂ O, а также по рециркуляции отработавших газов и замедленному впрыску для снижения уровней NO _x .

ССЫЛКИ

Аркуманис, К. (ред.) (1988) Двигатели внутреннего сгорания .