Что такое ДВС?

ДВС (двигатель внутреннего сгорания) – один из самых популярных видов моторов. Это тепловой двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно внутри него самого – во внутренней камере. Дополнительные внешние носители не требуются.
ДВС работает благодаря физическому эффекту теплового расширения газов. Горючая смесь в момент воспламенения смеси увеличивается в объёме, и освобождается энергия.

Вне зависимости от того, о каком из ДВС идёт речь – о ДВС с искровым зажиганием – двигателе Отто (это, прежде всего, инжекторный и карбюраторный бензиновые двигатели) или о ДВС с воспламенением от сжатия (дизельный мотор, дизель) сила давления газов воздействует на поршень ДВС. Без поршня сложно представить большинство современных ДВС. В том числе, он есть даже у комбинированного ДВС. Только в последнем, кроме поршня, мотору работать помогает ещё и лопаточное оборудование (компрессоры, турбины).

Бензиновые, дизельные поршневые ДВС – это двигатели, с которыми мы активно встречаемся на любом транспорте, в том числе легковом, а ДВС, работающие не только за счёт поршня, но и за счёт компрессора, турбины – это решения, без которых сложно представить современные суда, тепловозы, автотракторную технику, самосвалы высокой грузоподъёмности, т.е. транспорт, где нужны двигатели средней (> 5 кВт) или высокой мощности (> 100 кВт).

Без двигателя внутреннего сгорания невозможно представить движение практически любого транспорта (кроме электрического) – автомобилей, мотоциклов, самолётов.

• Несмотря на то, что технологии, в том числе, в транспортной сфере, развиваются семимильными шагами, ДВС на авто человечество будет устанавливать еще долго. Даже концерн Volkswagen, который, как известно, готовит масштабную программу электрификации модельного ряда своих двигателей, пока не спешит отказываться от ДВС. Открытой является информация, что автомобили с ДВС будут выпускаться не только в ближайшие 5, но и 30 лет. Да, время разработок новых ДВС у концерна уже подходит к финальной стадии, но производство никто сворачивать не будет. Нынешние актуальные разработки будут использоваться и впредь. Некоторые же концерны по производству авто и вовсе не спешат переходить на электромоторы. Это можно обосновать и экономически, и технически. Именно ДВС из всех моторов одни из наиболее надежных и при этом дешёвых, а постоянное совершенствование моделей ДВС позволяет говорить об уверенном прогрессе инженеров, улучшении эксплуатационных характеристик двигателей внутреннего сгорания и минимизации их негативного влияния на атмосферу.
• Современные дизельные двигатели внутреннего сгорания позволяют снизить расход топлива на 25-30 %. Лучше всего такое уменьшение расхода топлива смогли достигнуть производители дизельных ДВС. Но и производители бензиновых двигателей внутреннего сгорания активно удивляют. Ещё в 2012-м году назад американский концерн Transonic Combustion (разработчик так называемых сверхкритических систем впрыска топлива) впечатлил решением TSCiTM. Благодаря новому подходу к конструкции топливного насоса и инжекторам, бензиновый двигатель стал существенно экономичней.
• Большие ставки на ДВС делает и концерн Mazda. Он акцентирует внимание на изменении конструкции выпускной системы. Благодаря ей улучшена продувка газов, повышена степень их сжатия, а, вместе с тем, снижены и обороты (причём сразу на 15%). А это и экономия расхода топлива, и уменьшение вредных выбросов – несмотря на то, что речь идёт о бензиновом двигателе, а не о дизеле.

Крутящий момент, обороты и мощность двигателя. Простыми словами

Расчет мощности по массе и времени разгона до сотни

Еще один интересный способ как рассчитать мощность двигателя на любом виде топлива, будь-то бензин, дизель или газ – по динамике разгона. Для этого используя вес автомобиля (включая пилота) и время разгона до 100 км. А чтобы Формула подсчета мощности была максимально приближена к истине нужно учесть также потери на пробуксовку в зависимости от типа привода и быстроту реакции разных коробок передач. Приблизительные потери при старте для переднеприводных составит 0,5 сек. и 0,3-0,4 у заднеприводных авто.

Используя этот калькулятор мощности ДВС, который поможет определить мощность двигателя исходя из динамики разгона и массы, вы сможете быстро и достаточно точно узнать мощь своего железного коня не вникая в технические характеристики.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

При разнообразии конструктивных решений устройство у всех ДВС схоже. Двигатель внутреннего сгорания образован следующими компонентами:

1. Блок цилиндров
   . Блоки цилиндров – цельнолитые детали. Более того, единое целое они составляют с картером (полой частью). Именно на картер ставят коленчатый вал). Производители запчастей постоянно работают над формой блока цилиндров, его объемом. Конструкция блока цилиндров ДВС должна чётко учитывать все нюансы от механических потерь до теплового баланса.
2. Кривошипно-шатунный механизм (КШМ)
   – узел, состоящий из шатуна, цилиндра, маховика, колена, коленвала, шатунного и коренного подшипников. Именно в этом узле прямолинейное движение поршня преобразуется непосредственно во вращательное. Для большинства традиционных ДВС КШМ – незаменимый механизм. Хотя ряд инженеров пытаются найти замену и ему. В качестве альтернативы КШМ может рассматриваться, например, система кинематической схемы отбора мощности (уникальная российская технология, разработка научных сотрудников из «Сколково», направленная на погашение инерции, снижение частоты вращения, увеличение крутящего момента и КПД).
3. Газораспределительный механизм (ГРМ)
   . Присутствует у четырехтактных двигателей (что это такое, ещё будет пояснено в блоке, посвященном принципу работы ДВС). Именно от ГРМ зависит, насколько синхронно с оборотами коленчатого вала работает вся система, как организован впрыск топливной смеси непосредственно в камеру, под контролем ли выход из нее продуктов сгорания.

   Основным материалом для производства ГРМ выступает кордшнуровая или кордтканевая резина. Современное производство постоянно стремится улучшить состав сырья для оптимизации эксплуатационных качеств и повышения износостойкости механизма. Самые авторитетные производители ГРМ на рынке – Bosch, Lemforder, Contitech (все – Германия), Gates (Бельгия) и Dayco (США).

   Замену ГРМ проводят через каждые0 км пробега. Всё зависит от конкретной модели авто (и регламента на неё) и особенностей эксплуатации машины.

   Привод газораспределения нуждается в систематическом контроле и обслуживании. Если пренебрегать такими процедурами, ДВС может быстро выйти из строя.

4. Система питания
   . В этом узле осуществляется подготовка топливно-воздушной смеси: хранение топлива, его очистка, подача в двигатель.
5. Система смазки
   . Главные компоненты системы – трубки, маслоприемник, редукционный клапан, масляный поддон и фильтр. Для контроля системы современные решения также оснащаются датчиками указателя давления масла и датчиком сигнальной лампы аварийного давления. Главная функция системы – охлаждение узла, уменьшение силы трения между подвижными деталями. Кроме того, система смазки выполняет очищающую функцию, освобождает двигатель от нагара, продуктов, образованных в ходе износа мотора.
6. Система охлаждения
   . Важна для оптимизации рабочей температуры. Включает рубашку охлаждения, теплообменник (радиатор охлаждения), водяной насос, термостат и теплоноситель.
7. Выхлопная система
   . Служит для отвода от мотора продуктов сгорания.

   Включает: — выпускной коллектор (приёмник отработанных газов), — газоотвод (приёмная труба, в народе- «штаны»), — резонатор для разделения выхлопных газов и уменьшения их скорости, — катализатор (очиститель) выхлопных газов, — глушитель (корректирует направление потока газов, гасит шум).

8. Система зажигания
   . Входит в состав только бензодвигателей. Неотъемлемые компоненты системы – свечи и катушки зажигания. Самый популярный вариант конструкции – «катушка на свече». У двигателей внутреннего сгорания старого поколения также были высоковольтные провода и трамблер (распределитель). Но современные производители моторов, прежде всего, благодаря появлению конструкции «катушка на свече», могут себе позволить не включать в систему эти компоненты.
9. Система впрыска
   . Позволяет организовать дозированную подачу топлива.

В LMS ELECTUDE системе и времени впрыска уделяется особое внимание. Любой автомеханик должен понимать, что именно от исправности системы впрыска, времени впрыска зависит способность оперативно изменять скорость движения авто. А это одна из важнейших характеристик любого мотора.

Тонкий нюанс! При изучении устройства нельзя проигнорировать и такой элемент, как датчик положения дроссельной заслонки. Датчик не является частью ДВС, но устанавливается на многих авто непосредственно рядом с ДВС.

Датчик эффективно решает такую задачу, как передача электронному блоку управления данных о положении пропускного клапана в определенный интервал времени. Это позволяет держать под контролем поступающее в систему топливо. Датчик измеряет вращение и, следовательно, степень открытия дроссельной заслонки.

А изучить устройство мотора основательно помогает дистанционный курс для самообучения «Базовое устройство двигателя внутреннего сгорания автомобиля», на платформе ELECTUDE. Принципиально важно, что каждый может пошагово продвинуться от теории, связанной с ДВС и его составными частями, до оттачивания сервисных операций по регулировке. Этому помогает встроенный LMS виртуальный симулятор.

Расчет мощности ДВС по производительности форсунок

Не менее эффективным показателем мощности автомобильного двигателя является производительность форсунок. Ранее мы рассматривали её расчет и взаимосвязь, поэтому, труда, высчитать количество лошадиных сил по формуле, не составит. Подсчет предполагаемой мощности происходит по такой схеме:

Где, коэффициент загруженности не более 75-80% (0,75…0,8) состав смеси на максимальной производительности где-то 12,5 (обогащенная), а коэффициент BSFC будет зависеть от того какой это у вас двигатель, атмосферный или турбированный (атмо — 0.4-0.52, для турбо — 0.6-0.75).

Узнав все необходимые данные, вводите в соответствующие ячейки калькулятора показатели и по нажатию кнопки «Рассчитать» Вы сразу же получаете результат, который покажет реальную мощность двигателя вашего авто с незначительной погрешностью. Заметьте, что вам совсем не обязательно знать все представленные параметры, можно расчищать мощность ДВС отдельно взятым методом.

Ценность функционала данного калькулятора заключается не в расчете мощности стокового автомобиля, а если ваш автомобиль подвергся тюнингу и его масса и мощность притерпели некоторые изменения.

Принцип работы двигателя

Принцип работы классических двигателей внутреннего сгорания основан на преобразовании энергии вспышки топлива — тепловой энергии, освобождённой от сгорания топлива, в механическую.

При этом сам процесс преобразования энергии может отличаться.

Самый распространённый вариант такой:

1. Поршень в цилиндре движется вниз.
2. Открывается впускной клапан.
3. В цилиндр поступает воздух или топливно-воздушная смесь. (под воздействием поршня или системы поршня и турбонаддува).
4. Поршень поднимается.
5. Выпускной клапан закрывается.
6. Поршень сжимает воздух.
7. Поршень доходит до верхней мертвой точки.
8. Срабатывает свеча зажигания.
9. Открывается выпускной клапан.
10. Поршень начинает двигаться вверх.
11. Выхлопные газы выдавливаются в выпускной коллектор.

Важно!

Если используется дизельное топливо, то искра не принимает участие в запуске двигателя, дизельное топливо зажигается при сжатии само.

При этом для понимания принципа работы важно не просто учитывать физическую последовательность, а держать под контролем всю систему управления. Наглядно понять её помогает схема учебного модуля ELECTUDE.

Обратите внимание, в дистанционных курсах обучения на платформе ELECTUDE при изучении системы управления дизельным двигателем она сознательно разбирается обособленно от системы регулирования впрыска топлива. Очень грамотный подход. Многим учащимся действительно сложно сразу разобраться и с системой управления, и с системой впрыска. И для того, чтобы хорошо усвоить материал, грамотно двигаться именно пошагово.

Но вернёмся к работе самого двигателя. Рассмотренный принцип работы актуален для большинства ДВС, и он надёжен для любого транспорта, включая грузовые автомобили.

Фактически у устройств, работающих по такому принципу, работа строится на 4 тактах (поэтому большинство моторов называют четырёхтактными):

1. Такт выпуска.
2. Такт сжатия воздуха.
3. Непосредственно рабочий такт – тот самый момент, когда энергия от сгорания топлива преобразуется в механическую (для запуска коленвала).
4. Такт открытия выпускного клапана – необходим для того, чтобы отработанные газы вышли из цилиндра и освободили место новой порции смеси топлива и воздуха

4 такта образуют рабочий цикл.

При этом три такта – вспомогательные и один – непосредственно дающий импульс движению. Визуально работа четырёхтактной модели представлена на схеме.

Но работа может основываться и на другом принципе – двухтактном. Что происходит в этом случае?

• Поршень двигается снизу-вверх.
• В камеру сгорания поступает топливо.
• Поршень сжимает топливно-воздушную смесь.
• Возникает компрессия. (давление).
• Возникает искра.
• Топливо загорается.
• Поршень продвигается вниз.
• Открывается доступ к выпускному коллектору.
• Из цилиндра выходят продукты сгорания.

То есть первый такт в этом процессе – одновременный впуск и сжатие, второй — опускание поршня под давлением топлива и выход продуктов сгорания из коллектора.

Двухтактный принцип работы

– распространённое явление для мототехники, бензопил. Это легко объяснить тем, что при высокой удельной мощности такие устройства можно сделать очень лёгкими и компактными.

Важно! Кроме количества тактов есть отличия в механизме газообмена.

В моделей, которые поддерживают 4 такта, газораспределительный механизм открывает и закрывает в нужный момент цикла клапаны впуска и выпуска.

У решений, которые поддерживают два такта, заполнение и очистка цилиндра осуществляются синхронно с тактами сжатия и расширения (то есть непосредственно в момент нахождения поршня вблизи нижней мертвой точки).

Классификация двигателей

Двигатели разделяют по нескольким параметрам: рабочему циклу, типу конструкции, типу подачи воздуха.

Классификация двигателей в зависимости от рабочего цикла

В зависимости от цикла, описывающего термодинамический (рабочий процесс),
выделяют два типа моторов:

1. Ориентированные на цикл Отто
   . Сжатая смесь у них воспламеняется от постороннего источника энергии. Такой цикл присущ всем бензиновым двигателям.
2. Ориентированные на цикл Дизеля
   . Топливо в данном случае воспламеняется не от искры, а непосредственно от разогретого рабочего тела. Такой цикл лежит в основе работы дизельных двигателей.

Чтобы работать с современными дизельными моторами, важно уметь хорошо разбираться в системе управлениям дизелями EDC (именно от неё зависит стабильное функционирование предпускового подогрева, системы рециркуляции отработанных газов, турбонаддува), особенностях системы впрыска Common Rail (CRD), механических форсунках, лямбда-зонда, обладать навыками взаимодействия с ними.

А для работы с агрегатами, работающими по циклу Отто, не обойтись без комплексного изучения свечей зажигания, системы многоточечного впрыска. Важно отличное знание принципов работы датчиков, каталитических нейтрализаторов.

И изучение дизелей, и бензодвигателей должно быть целенаправленным и последовательным. Рациональный вариант – изучать дизельные ДВС в виде модулей.

Классификация двигателей в зависимости от конструкции

• Поршневой
  . Классический двигатель с поршнями, цилиндрами и коленвалом. При работе принципа ДВС рассматривалась как раз такая конструкция. Ведь именно поршневые ДВС стоят на большинстве современных автомобилей.
• Роторные (двигатели Ванкеля)
  . Вместо поршня установлен трехгранный ротор (или несколько роторов), а камера сгорания имеет овальную форму. У них достаточно высокая мощность при малых габаритах, отлично гасятся вибрации. Но производителям невыгодно выпускать такие моторы. Производство двигателей Ванкеля дорогостоящее, сложно подстроиться под регламенты выбросов СО2, обеспечить агрегату большой срок службы. Поэтому современные мастера СТО при ремонте и обслуживании с такими автомобилями встречаются крайне редко. Но знать о таких двигателях также очень важно. Может возникнуть ситуация, что на сервис привезут автомобили Mazda RX-8. RX-8 (2003 по 2012 годов выпуска) либо ВАЗ-4132, ВАЗ-411М. И у них стоят именно роторные двигатели внутреннего сгорания.

Классификация двигателей по принципу подачи воздуха

Подача воздуха также разделяет ДВС на два класса

:

1. Атмосферные
   . При движении поршня мотор затягивает порцию воздуха. Для вращения турбины и вдувания сжатого воздуха у турбокомпрессорных двигателей внутреннего сгорания используются непосредственно выхлопные газы.
2. Турбокомпрессорные
   . Организована дополнительная подкачка воздуха в камеру сгорания.

Для вращения турбины и вдувания сжатого воздуха у турбокомпрессорных двигателей внутреннего сгорания используются непосредственно выхлопные газы.

Атмосферные системы активно встречаются как среди дизельных, так и бензиновых моделей. Турбокомпрессорные ДВС – в большинстве своём, дизельные двигатели. Это связано с тем, что монтаж турбонаддува предполагает достаточно сложную конструкцию самого ДВС. И на такой шаг готовы пойти чаще всего производители авто премиум-класса, спорткаров. У них установка турбокомпрессора себя оправдывает. Да, такие решения более дорогие, но выигрыш есть в весе, компактности, показателе крутящего момента, уровни токсичности. Более того! Выигрыш есть и в расходе топлива. Его требуется существенно меньше.

Очень часто решения с турбокомпрессором выбирают автовладельцы, которые предпочитают агрессивный стиль езды, высокую скорость.

Самые необычные конструкции двигателей

Современные автопроизводители особо не балуют нас техническими изысками в части конструкции и конфигурации двигателей. Классические ДВС и турбодизели нынче правят бал. Но до сих пор встречаются экспериментаторы, предлагающие оригинальные решения. А раньше таких проектов было еще больше. Сегодня Дром рассказывает о самых необычных моторах для автомобилей и мотоциклов.

Как правило, под капоты всех нынешних автомобилей устанавливаются четырехтактные бензиновые двигатели, работающие по так называемому циклу Отто — впрыск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Это типичные тепловые ДВС с воспламенением горючей смеси через свечу, где выпускные клапаны открываются после закрытия впускных. Главный недостаток подобных моторов — низкий (до 28%) КПД.

Более трети современных автомобилей оснащаются турбодизелями с подобным кривошипно-шатунным механизмом, но с более высокой степенью сжатия и с воспламенением рабочей смеси от сжатия и высокой температуры в цилиндре. КПД дизельных моторов выше, но все равно не так уж велик — до 50%.

Эти два типа двигателей сегодня используются на подавляющем большинстве автомобилей, и о них давно все известно и сказано. Наша задача — рассказать о не столь распространенных схемах, которые либо имеют какие-то серьезные отличия по сравнению с «классическими» моторами Отто и Дизеля, либо и вовсе построены по другому принципу.

Роторно-поршневой двигатель Ванкеля

Компании — NSU, Mazda, Citroen, ВАЗ Некоторые модели автомобилей — NSU Ro 80, Mazda RX-7, ВАЗ-21059 и 21079, Citroen GS

Начать, конечно же, стоит с роторно-поршневой конструкции, которую впервые инженеры Вальтер Фройде и Феликс Ванкель представили не так уж и давно — в 1957 году. Логично, что этот мотор получил имя одного из создателей — Ванкеля. Особенность такой силовой установки — трехгранный поршень (ротор), приводимый в движение силой давления газов. Движение ротора относительно «овального» цилиндра с оригинальным профилем (статора) производится через две шестерни: одна — на внутренней поверхности ротора, вторая — жестко прикреплена к внутренней поверхности боковой крышки двигателя. Их взаимодействие обеспечивает круговые эксцентричные движения, при которых ротор своими гранями соприкасается с внутренней поверхностью камеры сгорания. Вращательное движение передается на специальный вал, а с него уже на трансмиссию. Одна механическая пара регулирует движение ротора, а вторая преобразует его во вращение эксцентрикового вала. За один полный оборот вала ротор успевает провернуться на 120°, а в каждой из трех изолированных полостей воспроизводится полный четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания — впрыск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Очевидными преимуществами такого типа двигателей считают их компактность, легкость, меньшее количество деталей (нет поршней, шатунов, коленвала), упрощенную систему смазки, низкий уровень вибраций и высокую литровую мощность. Главные недостатки — плохая эффективность уплотнений зазора между ротором и стенками цилиндра, большой расход специального масла, склонность к перегреву, требовательность к свечам и высокая мощность на относительно высоких оборотах.

Первым серийным автомобилем с РПД стал немецкий NSU Ro 80 в 1967 году, но настоящую популярность роторно-поршневым двигателям принесла, конечно же, японская компания Mazda, прославившаяся не только своими легендарными моделями RX, но и единственной победой в Ле-Мане прототипа «757». Кстати, Мазда планирует вернуться к роторной теме чуть ли не в этом году. В разное время с РПД экспериментировали различные производители. Даже АвтоВАЗ в 80-х годах отметился роторными «пятерками» и «семерками», которые использовались в ГАИ или у «силовиков».

Двигатель с переменной степенью сжатия

Компании — Infiniti, Saab, AVL, FEV, MCE-5 Модель автомобиля — Infiniti QX50

Технология, которая на данный момент используется только на одном автомобиле — кроссовере Infiniti QX50, появившемся в 2019 году. Nissan шел к этому более 20 лет, и теперь наконец-то 2,0-литровый турбомотор VC-T (Variable Compression Turbocharged) умеет в автоматическом режиме регулировать степень сжатия (от 8 при максимальной отдаче до 14 при малых нагрузках) посредством регулировки длины поршней на 6 мм. Что позволяет не только почти полностью забыть о неоптимальных режимах и, как следствие, возникновении детонации, но и увеличить КПД, и сэкономить до 27% топлива по сравнению с V-образными «шестерками», по словам японских инженеров. Реализована эта хитрость следующим образом: установлено подвижное сочленение шатуна с его нижней шейкой, которое работает при помощи системы рычагов с приводом от электромотора. При этом мощность силовой установки составляет внушительные 270 л.с., а крутящий момент — 390 Нм (в России мотор дефорсирован до 249 л.с. и 380 Нм). Основными недостатками конструкции считаются ее сложность и больший (примерно на 10 кг) вес силового агрегата.

В разное время двигателями с переменной степенью сжатия баловались инженеры Ford, Mercedes-Benz, Peugeot и Volkswagen, но патента так никто и не получил. Существовали также ранние системы с дополнительным поршнем, который менял объем камеры сгорания. Проводили эксперименты и с поршнями изменяемой высоты, которые оказались очень тяжелыми. В 2000 году компания FEV Motorentechnik установила в фольксвагеновский турбомотор 1.8T систему с… подъемным коленвалом, движение которого осуществлялось при помощи эксцентриковых муфт. В том же году свое видение продемонстрировали шведы из Saab. У 5-цилиндрового 1,6-литрового турбомотора SVC (Saab Variable Compression) могла подниматься верхняя часть раздельного блока цилиндров. Приблизительно в то же время французы из МСЕ-5 Development продемонстрировали мотор с уникальными разделенными шатунами с зубчатыми коромыслами. Но ни одно из этих решений так и не нашло применения на серийных автомобилях.

Бесклапанный двигатель (Knight Sleeve Valve)

Компании — Daimler, Mercedes-Benz, Peugeot, Panhard, Willys-Knight, Mors, Avions-Voisin Некоторые модели автомобилей — Avions-Voisin C, Willys-Knight, Daimler 22HP

Теперь мы отправимся на рубеж XIX и XX веков, когда Чарльзу Найту пришла в голову мысль создания двигателя без классических клапанов. В 1908 году он запатентовал свое детище, которое оснащалось так называемыми «золотниковыми клапанами»: это своего рода муфта, приводимая в движение специальным редукторным валом, скользящая вокруг поршня и открывающая таким образом впускные и выпускные порты в стенках цилиндра. Такая система оказалась не только рабочей, но еще и довольно тихой, долговечной, с хорошей отдачей и отсутствием проблемы «залипания» обычных тарельчатых клапанов. Помимо этих очевидных преимуществ были и другие: хорошая продувка выхлопными газами, неизменная форма камеры сгорания (следовательно, отсутствие детонации), отсутствие традиционной головки блока и идеальное размещение свечей зажигания. Основным недостатком считался повышенный расход масла.

Тем не менее подобными двигателями оснащался целый ряд моделей таких известных автомобильных марок, как Daimler, Panhard, Peugeot, Mercedes-Benz, Willys и других вплоть до 40-х годов прошлого века. Впоследствии — после значительного повышения оборотистости моторов и внедрения натриевого охлаждения для обычных тарельчатых клапанов — система практически себя изжила.

Двигатель с двумя коленвалами (Lanchester Twin-Crank Twin)

Компании — Lanchester, Ford Некоторые модели автомобилей — Lanchester 12НР, Ford A/C/F

В 1896 году Карл Бенц запатентовал двухцилиндровый «оппозитник», через три года была основана компания Lanchester, а уже год спустя она представила свой первый автомобиль Lanchester Phaeton, оснащенный таким мотором с двумя коленчатыми валами. Именно этот двигатель считается первым серийным «Флэт-Твином» (Flat-Twin). Этот 4,0-литровый атмосферный агрегат с воздушным охлаждением выдавал «целых» 10,5 л.с. при 1250 об/мин. Один коленвал находился над другим, а у каждого поршня было по три (!) шатуна — один толстый центральный и два более легких по бокам. Толстый шел к одному валу, а тонкие — к другому. Соответственно, валы вращались в противоположных направлениях.

На заре автопрома такими моторами оснащались не только автомобили фирмы Lanchester, но и первые модели Ford — «А», «С» и «F».

Двухцилиндровый «оппозитник» в едином блоке (Panhard Flat-Twin)

Компания — Panhard Некоторые модели автомобилей — Panhard Dyna, Panhard 24, Panhard Dyna X84

С 1945 по 1967 годы французская компания Panhard производила целый ряд моделей, оснащавшихся так называемым двигателем Flat-Twin. Рене Панар не стал пионером в области использования двухцилиндровых «оппозитников», но впервые объединил блок цилиндров и головку в алюминиевый корпус. Помимо этого уникального технического решения в моторе Flat-Twin присутствовали и другие интересные находки. Так, например, вместо клапанных пружин здесь впервые использовались торсионы, а охлаждение было двойным воздушным.

Объем таких моторов был невелик — от 0,61 до 0,85 л, а мощность составляла от 42 до 60 л.с. Тем не менее этот факт не помешал модели Х84 участвовать в гонках в Ле-Мане и даже добиваться хороших результатов в своем классе до 750 см³. Ну а купе Panhard 24 было к тому же еще и очень красивым автомобилем.

Двигатели, работающие по циклам Аткинсона и Миллера

Компании — Toyota, Lexus, Ford, Nissan Некоторые модели автомобилей — Toyota Prius, Lexus hybrids, Ford Escape, Nissan Altima

Как мы уже говорили в начале этой статьи, большинство современных автомобильных двигателей работает по циклу Отто. Но все же существуют и другие варианты: с борьбой за повышение эффективности и увеличение КПД навсегда связаны имена инженеров Джеймса Аткинсона и Ральфа Миллера.

Что предложил Аткинсон? Во-первых, за счет усложнения кривошипно-шатунного механизма он изменил соотношение времен тактов: ходы поршня при тактах сжатия и рабочего хода стали короче, чем при тактах впуска и выпуска, за счет уникального коленвала. Впускные клапаны в цикле Аткинсона полностью закрываются на половине пути к верхней «мертвой» точке. Во-вторых, все четыре такта у Аткинсона происходят за один оборот коленвала, тогда как обычному Отто-мотору для этого требуется два. Достоинства такого типа двигателей — высокая экономичность и экологичность. Недостатки — сложность конструкции и невысокий момент на «низах». Именно поэтому подобные силовые установки используют на гибридах, где эта особенность компенсируется электротягой.

Ральф Миллер также работал со степенью сжатия, но пошел (в 1947 году) другим путем. Вместо механического уменьшения такта сжатия при неизменном такте рабочего хода он предложил сократить его за счет такта впуска, сохраняя одинаковое перемещение для всех поршней, как на двигателе Отто. Существует две вариации этого решения, но обе основаны на позднем закрытии впускных клапанов: «укороченный впуск» (когда впускные клапаны закрываются раньше окончания такта впуска) и «укороченное сжатие» (впускные клапаны закрываются позже такта впуска). Но обе они призваны уменьшить степень сжатия рабочей смеси, и, таким образом, когда топливо воспламеняется в ВМТ, оно имеет намного большую степень расширения, чем в двигателе Отто. Это позволяет лучше использовать энергию расширяющихся в цилиндре газов, что повышает тепловую эффективность конструкции, а, как следствие, улучшает экономичность и повышает эластичность. К тому же в такте сжатия уменьшаются насосные потери, так как сжимать топливо в моторе с циклом Миллера легче. Недостатки этой схемы — уменьшение мощности (особенно на высоких оборотах) из-за худшего наполнения цилиндров.

Дизельный «оппозитник» с качающимся коленвалом (Commer Rootes TS3 Tilling-Stevens)

Компания — Rootes Некоторые модели автомобилей — Commer Q25, C-Series, Karrier

Единственный дизельный мотор в нашем сегодняшнем обзоре, но зато какой: двухтактный «оппозитник» TS3 (не зря его прозвали «тарахтелкой» — Knocker) с уникальным качающимся коленвалом разработки фирмы Tilling-Stevens! Правда, устанавливался он с 1954 до 1968 года только на катера, автобусы и грузовики малоизвестной широкому кругу британской компании Rootes. Этот двигатель не только располагался под сиденьем водителя, но имел и еще целый ряд интересных особенностей: в каждом цилиндре было по два «встречных» поршня, которые передавали момент на единственный коленвал при помощи специального рокера и двух шатунов на каждом поршне, а также присутствовал механический компрессор с цепным приводом! У двигателя TS3 было три цилиндра, объем в 3,25 л, и выдавал он существенные по меркам того времени 105 л.с. и 366 Нм при всего 1200 об/мин. Говорят, это был очень компактный и надежный агрегат, единственным недостатком которого считали высокий уровень шума.

В конце 1960-х годов появился прототип 4-цилиндрового аналогичного агрегата, а «мул», им оснащенный, даже прошел испытания длиной почти в 2 млн километров, но дальше этого дело не пошло: в 1968 году корпорация Chrysler купила компанию Rootes, и разработки свернули.

Двухтактный двухцилиндровый «оппозитник» (Gobron Brillie Opposed Piston)

Компания — Gobron-Brillie Некоторые модели автомобилей — Gobron-Brillie 8CV, Gobron Brillie Opposed

Возвращаемся назад, аж в XIX век, а точнее говоря, в 1898 год, когда француз Гюстав Шарль-Алексис Гоброн вместе с земляком Эженом Брийе основали автомобильную компанию Societé des Moteurs Gobron-Brillie. Спустя всего полгода появилось и их первое детище — Gobron-Brillie 8CV, в котором был использован мотор уникальной конструкции — при объеме 1,6 л и двух вертикально расположенных цилиндрах в нем было четыре поршня, которые двигались навстречу друг другу. Нижние соединялись с коленвалом привычными шатунами, а верхние (их ход был короче) — при помощи оригинальной системы тяг, коромысел и эксцентриков. При этом распредвал тут один, а весь механизм был полностью синхронизирован. Приблизительно на середине хода верхних поршней — именно в этой области происходило возгорание смеси — были установлены свечи зажигания, а также впускные и выпускные клапаны, работавшие при помощи толкателей. Возгорание топлива происходило между поршнями, примерно на середине хода верхних поршней.

Помимо столь замысловатой, но, по словам современников, вполне надежной системы с отличной плавностью работы, у автомобиля была и необычная система питания, где вместо традиционного карбюратора использовался набор плунжеров, способных подавать в камеру любой вид топлива. Говорят, Gobron-Brillie умели ездить даже на спирте или крепких алкогольных напитках вроде виски и коньяка!

Роторно-лопастный двигатель

Компания — Ё-Авто Модель автомобиля — ё-Мобиль

Разработки роторно-лопастного двигателя внутреннего сгорания ведутся с 1930-х годов, но до сих пор никому так и не удалось создать достаточно надежный агрегат, хотя преимуществ у него масса: малый вес, компактность, высокая отдача (100 кВт на е-Мобиле), небольшой расход топлива и высокий КПД. Но большинство из нас, несомненно, узнали о существовании РЛД тогда, когда российский миллиардер Михаил Прохоров увлекся созданием ё-Мобиля. Конечно, очень хочется верить, что придуманный в Псковском политехническом университете агрегат в итоге найдет себе применение, но пока серийных автомобилей с подобной силовой установкой не существует, да и сам ё-Мобиль приказал долго жить. Но идея — весьма любопытная. Так что же представляет собой РЛД?

По сути, РЛД — это цилиндр с двумя соосно вращающимися роторами, на каждом из которых укреплена пара лопастей, которые делят цилиндр на четыре рабочие камеры, каждая из которых за один оборот совершает все четыре рабочих такта. Основная сложность состоит в синхронизации вращения валов роторов и снятии с них мощности, поскольку роторы не только крутятся, но еще и совершают вращательно-колебательные движения относительно цилиндра. К сожалению, эта проблема так и не позволяет до сих пор наладить серийный выпуск столь интересного агрегата. Но в теории двигатель все же перспективный, да еще и способный работать чуть ли не на всех видах топлива.

Ротативный двигатель — неподвижный коленвал, вращающиеся цилиндры и поршни (Adams-Farwell)

Компания — Adams-Farwell Некоторые модели автомобилей — Adams-Farwell Models 5, 6, 7 и Series 6

Эта идея, что называется, «от противного»: если в обычном ДВС вращается коленвал, а блок цилиндров остается неподвижным, то в моторе, который в 1895 году изобрел инженер Фэй Оливер Фарвелл, коленвал всегда стоял на одном месте. Легенда гласит, что на конструирование 3-цилиндрового 4-тактного двигателя, в котором цилиндры вращаются на оригинальных подшипниках вокруг жестко закрепленного коленвала, Фарвелла, работающего на американскую компанию The Adams Co., подвигнул вид… обычной мельницы!

Спустя девять лет, в 1904 году, под названием Adams-Farwell Model 5 в серию пошел автомобиль с этим уникальным и довольно мощным (25 л.с.) по меркам того времени мотором. Кстати, были у него и еще весьма необычные черты: вместо карбюратора топливо попадало в камеры через специальные отверстия в них, а глушителей у двигателя не было предусмотрено (он был довольно тихим). Основным недостатком стало чрезмерное потребление масла, но, несмотря на этот факт, в 1906 году в Adams-Farwell представили Model 6 с уже 5-цилиндровым 8,0-литровым мотором. А в 1910 году моторы фирмы использовались даже на первых вертолетах конструкции Эмиля Берлинера.

Двигатель с разделенными циклами

Компании — Scuderi, Paut Motor, Bonner Motor Некоторые модели автомобилей — не устанавливались

Как известно, в классическом ДВС все четыре такта происходят в одном цилиндре. Но, оказывается, существовали в мире — причем в недавнем прошлом — энтузиасты, которые проповедовали настоящую экзотику с разделением циклов. Например, в 2006 году американцы из Scuderi Group решили, что ответственным за такты впуска и сжатия будет так называемый «холодный» цилиндр, а за рабочий ход и выпуск — другой, «горячий». Когда в рабочем цилиндре идет расширение газов, в «холодном» компрессорном происходит такт впуска. Когда в рабочем выпуск, в холодном — сжатие. В конце такта сжатия поршни приближаются к своим ВМТ, смесь через перепускной клапан «перетекает» из «холодного» цилиндра в «горячий» и поджигается. К тому же у разных цилиндров могут быть отличные диаметры и ходы поршней, что позволяет весьма гибкую настройку. В 2009 году Scuderi представили опытный образец, но дальше дело так и не пошло: двигатель экономичен, но очень сложен конструктивно.

Экспериментировали с разделенными циклами и в хорватской фирме Paut Motor. В 2011 году они даже представили прототип, который при литраже в 7 л весил всего 135 кг, имел гораздо меньше деталей, сниженное трение и шум, чем мотор Scuderi. Но и этот проект умер.

Ну а самый сложный двигатель с разделенными циклами — это, пожалуй, мотор компании Bonner, в котором цилиндры расположены крестообразно, а коленвал совершает планетарное движение посредством системы шестерен. Газораспределение происходит за счет специальных клапанов на дне цилиндров и вращающихся золотников в блоке. Поршни при этом могут смещаться под давлением масла, обеспечивая переменную степень сжатия. Ну и наворотили! Неудивительно, что и этот двигатель вряд ли когда-то доберется до «серии».

Газотурбинный двигатель

Компании — Kenworth, Rover, Fiat, GM, Lotus, Chrysler, Ford Некоторые модели автомобилей — Fiat Turbina, Chrysler Turbine, Rover Jet1, GM Firebird, Ford Thunderbird

Если двигателей с разделенными циклами мы так и не увидели на серийных автомобилях, то машины с газотурбинными моторами в природе существовали. С начала 50-х годов производители легковых автомобилей решили поиграть в эту игру и продолжили вплоть до конца 60-х. Недолгим был век ГТД, но зато подарил нам целую плеяду неординарных моделей: Rover Jet1, Fiat Turbina, Ford Thunderbird, Chrysler TurboFlite.

Газовая турбина — более простой и гораздо более мощный по сравнению с классическим ДВС мотор. Неудивительно, что автомобильная промышленность, которая и до 50-х годов прошлого века активно заимствовала ряд технических решений из авиационной отрасли, не осталась в стороне и решила попробовать использовать двигатели такого типа на легковых машинах. К тому же сама по себе конструкция ГТД несложна: валы с компрессорным и турбинным колесами, первое из которых подает сжатый воздух в камеру сгорания с топливом. При сжигании и расширении рабочая смесь крутит турбинное колесо, которое использует энергию для вращения компрессора и, конечно же, движения при помощи реактивной струи.

Двигатель с десмодромным приводом клапанов

Компании — Bignan, Ducati, Norton, Mercedes-Benz, BMW, Ferrari, Honda Некоторые модели — мотоциклы: Ducati, BMW, Honda, Norton, MV Agusta; автомобили: Mercedes-Benz SLR

В обычном двигателе внутреннего сгорания клапаны открываются принудительно (специальными коромыслами), а закрываются при помощи мощных пружин. Именно скорость работы этих самых пружин и их недостаточная прочность становятся причиной так называемого разрыва кинематической связи, «зависания» клапанов и, как следствие, ограничения по оборотам двигателя. В случае с десмодромным приводом клапаны также принудительно и закрываются.

История этого ноу-хау ведется еще с начала XX века, когда в 1910 году патент на десмодромную систему газораспределения получил английский инженер по фамилии Арнотт. В то время это было особенно актуально, поскольку качество пружин зачастую не выдерживало даже совсем невысоких оборотов и нагрузок. На практике «десмодром» применили сначала на гоночном Peugeot L76 в 1912 году, а спустя еще восемь лет он появился на французском спортивном автомобиле Bignan. Первыми мотоциклами, на которых использовался десмодромный привод, стали модели английской фирмы Norton еще в 1924 году. С тех пор этот тип применялся также на автомобилях Mercedes-Benz, Ferrari, мотоциклах BMW, F.B. Mondial и Honda. Однако самым стойким приверженцем этой схемы и по сей день остается итальянская мотоциклетная компания Ducati.

Преимущества ДВС

1. Удобство
   . Достаточно иметь АЗС по дороге или канистру бензина в багажнике – и проблема заправки двигателя легко решаема. Если же на машине установлен электромотор, зарядка доступна пока ещё не во всех местах.
2. Высокая скорость заправки двигателя топливом
   .
3. Длительный ресурс работы
   . Современные двигатели внутреннего сгорания легко работают в заявленный производителем период (в среднем 100-150 тыс. км. пробега), а некоторые и 300-350 тыс. км пробега. Впрочем, мировой рекордсмен – пробег и вовсе ~4 800 000 км. И здесь нет лишних нулей. Такой рекорд установлен на двигателе Volvo» P1800. Единственное, за время работы двигатель два раза проходил капремонт.
4. Компактность
   . Двигатели внутреннего сгорания существенно компактнее, нежели двигатели внешнего сгорания.

Жор масла

Жор масла в литр-полтора от замены до замены при частых отжигах – нормальное явление для двигателя EJ202. Но если расход масла присутствует и при размеренной езде, то почти наверняка либо залегли маслосъемные кольца, либо в двигателе присутствует износ цилиндропоршневой группы. Обычно при пробеге в 200 000 – 250 000 км двигатель EJ202 нуждается в замене всех поршневых колец.

К тому же горизонтальное расположение цилиндров само по себе является предпосылкой для повышенного расхода масла, которое не способно самостоятельно стекать по стенкам цилиндров. И тут важно не упустить момент – двигатель может «съесть» почти все масло, а контрольная лампа загорится лишь тогда, когда в поддоне останется всего 700 грамм смазки.

Недостатки ДВС

При использовании двигателя внутреннего сгорания нельзя организовать работу оборудования по замкнутому циклу, а, значит, организовать работу в условиях, когда давление существенно превышает атмосферное.

Большинство ДВС работает за счёт использования невозобновляемых ресурсов (бензина, газа). И исключение – машины, работающие на биогазе, этиловом спирте (на практике встречается редко, так как при использовании такого топлива невозможно добиться высоких мощностей и скоростей).

Существует тесная зависимость работы ДВС от качества топлива. Оно должно обладать определённым определенным цетановым и октановым числами (характеристиками воспламеняемости дизельного топлива, определяющими период задержки горения рабочей смеси и детонационной стойкости топлива), плотностью, испаряемостью.

Автомеханики называют ДВС сердцем авто, инженеры модернизируют ГРМ, а производители бензина не беспокояться о том, что все перейдут на электротранспорт.

Четырехтактный ДВС

Одноцилиндровые двигатели ставятся главным образом на мотоциклах. На автомобилях тракторах и т.п. ставятся 4, 6, 8 и более цилиндров.

Рабочий цикл цилиндра состоит из четырех тактов: всасывания смеси, сжатия, сгорания и выхлопа. Получается, что только один такт является полезным (рабочим). Поэтому был разработан двигатель, состоящий из четырех цилиндров, которые работают поочередно и, таким образом, при каждом такте по крайней мере один из цилиндров работает: вращает коленчатый вал.