Что такое двигатель и какой его принцип работы?

Компоновка поршневых двигателей

Значительное разнообразие компоновок поршневых двигателей связано с их размещением в автомобиле и необходимостью уместить определенное количество цилиндров в ограниченном объеме моторного отсека.

Рядный двигательV-образный двигатель

Рядный двигатель (рис. 1, а) — компоновка, при которой все цилиндры находятся в одной плоскости. Применяется для небольшого количества цилиндров (2, 3, 4, 5 и 6). Рядный шестицилиндровый двигатель легче всего поддается уравновешиванию (снижению вибраций), но обладает значительной длиной.

V-образный двигатель (рис. 1, б) — цилиндры у него расположены в двух плоскостях, как бы образуя латинскую букву V. Угол между этими плоскостями называют углом развала. Наиболее часто такое размещение цилиндров применяется для шести- и восьмицилиндровых двигателей и обозначается V6 и V8 соответственно. Такая компоновка позволяет уменьшить длину двигателя, но увеличивает его ширину.

Оппозитный двигательVR-двигатель

Оппозитный двигатель (рис. 1, в) имеет угол развала 180°, благодаря этому у него высота агрегата наименьшая среди всех компоновок.

VR-двигатель (рис. 1, г) обладает небольшим углом развала (порядка 15°), что позволяет уменьшить как продольный, так и поперечный размеры агрегата.

W-двигательW-двигатель

W-двигатель имеет два варианта компоновки — три ряда цилиндров с большим углом развала (рис. 1, д) или как бы две VR-компоновки (рис. 1, е).Обеспечивает хорошую компактность даже при большом количестве цилиндров. В настоящее время серийно выпускают W8 и W12.

Какие типы и виды двигателей существуют

Абсолютно любой моторный агрегат действует по одному и тому же принципу. В него подаётся топливо. Оно сжигается. В процессе сжигания выделяется энергия, а далее эта энергия преобразуется в механическую. Вся эта процедура повторяется неоднократно. Этот повторяющийся процесс называется тактом. В зависимости от того, сколько ходов совершает поршень, все двигательные установки можно разделить на двухтактные и четырёхтактные. Все силовые агрегаты, которыми оснащаются автомобили, основаны на четырёхтактном цикле. За время цикла подаётся топливная смесь, происходит рабочий ход поршня (вверх и вниз) и выводятся газы.

Двухтактные двигатели работают немного иначе. За время такта совершается рабочий ход и сжимается топливная смесь. Поршень наполняется и очищается за отведённое ему время. Эти двигатели имеют существенный минус — они выбрасывают много отработанных газов. А ещё они слишком много потребляют горючего. Именно поэтому они не используются в автотранспорте.

Инжекторный двигатель

Работа этого агрегата устроена несколько иначе: горючее маленькой порцией впрыскивается в воздушную среду. Давление распыляет топливо через форсунку, тем самым значительно сокращается его количество, так как оно дозируется специальным прибором. Это делает такие моторы более экономичными, а дозированная порция топливной смеси уменьшает количество вредных веществ в выхлопных газах и повышает коэффициент полезного действия двигателя.

Этот тип двигателя включается в себя механический и электронный виды. Механический дозирует горючее посредством рычагов, а электронный использует особую систему, управляющую количеством топливной смеси. Подобные системы позволяют горючему более полно сгорать, благодаря чему уменьшается количество вредного вещества, попадающего в атмосферу.

Карбюраторный двигатель

Проходя топливную систему, бензин поступает в карбюратор, иными словами, впускной коллектор. Туда же нагнетается воздух, который смешавшись с горючим, образует рабочую смесь. Она поступает в цилиндры, искра от свечи поджигает её.

Дизельный двигатель

Двигатели дизельного типа требуют особого внимания. Топливная смесь в них при сжимании воспламеняется. Воздух всасывается под большим давлением и за счёт этого происходит процесс самовоспламенения. Рабочий ход начинается сразу после воспламенения, далее выхлопные газы вытесняются.

У этого типа небольшой расход горючего и он выделяет мало вредных веществ. Достаточно высокий КПД. Этот вид силового устройства непрерывно модернизируется, даже морозы ему не страшны.

Разнообразные моторы, которые работают на дизтопливе, различны своими параметрами. Эти характеристики отличаются в зависимости от времени года. Им не нужна система зажигания, так как горючее воспламеняется за счёт давления.

Рядные..

ДВИГАТЕЛИ, у которых цилиндры расположены друг за другом в одной плоскости, обозначаются литерой “R”.

Рядные моторы – самые простые и недорогие, поскольку по сравнению с другими схемами состоят из минимального количества деталей. Неудивительно, что на заре автомобилизма подавляющее большинство машин оснащалось именно такими двигателями. Причем некоторые фирмы (например, “Voisin”) строили опытные образцы 12-цилиндровых монстров!

Но сегодня делать большой моторный отсек – непозволительная роскошь, ведь при этом останется мало места на пассажирский салон. Тем более что большинство современных моделей – переднеприводные. Мотор у них обычно расположен поперечно, то есть громоздкие рядные “восьмерки” и иные многоцилиндровые агрегаты разместить под капотом практически невозможно. Кроме того, длинный коленвал очень непросто сделать прочным. Он может не выдержать огромных нагрузок, свойственных нынешним высокофорсированным двигателям. Конечно, дорогостоящие материалы и технологии позволяют решить проблему, но это неизбежно увеличит стоимость производства.

Однако рядные моторы с четным количеством цилиндров достаточно неплохо уравновешены. Конечно, в любом двигателе движущиеся детали создают множество паразитных сил и моментов, порождающих вибрации и шум. Но в данном случае дополнительных мер для их снижения конструкторам применять не надо.

В частности, рядная “шестерка” изначально полностью сбалансирована, поэтому ее до сих пор применяют на некоторых дорогих и престижных машина х вроде моделей BMW. Но баварские автомобили заднеприводные, и инженеры могли поставить мотор продольно, избежав проблем с его размещением.

А вот компания “Volvo” на модели “S80” умудрилась установить такой двигатель поперек (!) моторного отсека (ранее это удалось лишь в 70-х годах прошлого века англичанам из фирмы “Austin”). Но заодно шведам пришлось потратиться и на разработку сверхкомпактной коробки передач…

Четырехцилиндровые рядные моторы уступают “шестеркам” по сбалансированности, зато они намного компактнее. Поэтому “четверки” сегодня являются самыми популярными двигателями из разряда “до 2,5 л рабочего объема”. (Правда, у некоторых четырехцилиндровых дизелей объем превышает 3 л.) Они повсеместно применяются на моделях компактного и “семейного” классов, а также на недорогих спортивных автомобилях и внедорожниках.

Уравновешенность моторов с нечетным количеством цилиндров оставляет желать лучшего, поэтому они встречаются достаточно редко. Например, на некоторых малолитражка х вроде “Chevrolet Spark” используются трехцилиндровые двигатели. Рядные “пятерки” популярнее. Они присутствуют в гамме таких производителей, как “General Motors”, “Volvo”, “Ford”…

Типы V-образных двигателей

• Двигатель V-twin или V2
• двигатель V3
• двигатель V4
• двигатель V5
• двигатель V6
• двигатель V8
• Двигатель V10
• Двигатель V12
• Двигатель V14
• Двигатель V16
• Двигатель V18
• Двигатель V20
• Двигатель V24
• Двигатель V32

1) Двигатель V2

Двигатель V2 также известен как двигатель V-twin. Он имеет два цилиндра, которые имеют общий коленчатый вал. Эти цилиндры расположены в два ряда (т.е. по одному цилиндру в каждом ряду).

Максимальные двигатели V2 имеют один шатун. В 1889 году Готлибом Даймлером был изобретен первый двигатель V2.

2) Двигатель V3

Двигатель V3 имеет три цилиндра. В этом типе V-образного двигателя два цилиндра расположены в один ряд, а оставшийся цилиндр расположен во втором ряду.

3) Двигатель V4

Этот двигатель имеет четыре цилиндра, и все цилиндры имеют один коленчатый вал. Эти двигатели менее распространены, чем двигатели I4.

4) Двигатель V5

Имеет пять цилиндров. В этом двигателе три цилиндра расположены в один ряд, а два других цилиндра — во второй ряд. У него два кривошипа. Для опоры коленчатого вала используются три коренных подшипника.

5) Двигатель V6

Двигатель V6 имеет шесть цилиндров, которые имеют общий коленчатый вал. В двигателе V6 каждый ряд имеет три цилиндра. Эти двигатели V чаще всего используются в автомобилях среднего размера. Они имеют лучший расход топлива и низкую стоимость, чем двигатели V8.

6) Двигатель V8

Двигатель V8 имеет восемь цилиндров. Эти восемь цилиндров расположены в два ряда (т.е. по четыре цилиндра в каждом ряду). Эти цилиндры расположены в форме буквы V. Ряды цилиндров расположены под углом 90 градусов. Такой угол обеспечивает хорошую балансировку двигателя и снижает вибрацию.

7) Двигатель V10

Имеет десять цилиндров, расположенных в два ряда (т.е. по пять цилиндров в каждом ряду). Эти двигатели менее известны, чем двигатели V12 и V8.

Расширение и работа газа

Газ, расширяясь, может совершать работу. От кастрюльки с кипящей водой, накрытой крышкой, слышен звук постукивающей крышки. Звук возникает благодаря тому, что кипящая вода бурно испаряется. Пар поднимается над водой, занимая пространство между поверхностью воды и крышкой. Расширяясь, пар приподнимает крышку (рис. 1).

Рис. 1. Расширяясь, горячий пар поднимает крышку, совершая работу

Часть пара покидает кастрюльку через образовавшуюся под крышкой щель. И крышка опускается. Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока мы не прекратим подогревать кастрюльку.

Главным здесь является то, что нагретый пар (газ), расширяясь, может совершать работу, сдвигая крышку.

Джеймс Уатт в конце 17-го века придумал способ увеличить эффективность использования этого свойства нагретого пара. Он изобрел конденсатор пара, благодаря ему усовершенствовал паровую машину Ньюкомена. Это позволило увеличить ее эффективность в 3 раза.

Двигатели

Вопрос, почему двухцилиндровые V-образные двигатели и двухцилиндровые рядные моторы отличаются друг от друга, является весьма важным и требует некоторого рассмотрения. Фактически у всех мотопроизводителей есть свои двухцилиндровые моторы. Взяв один тип двигателей V-Twin, можно заметить, что они все отличаются расположением цилиндров, которое колеблется от 42 до 90 градусов. Например, Harley-Davidson придерживают традиций и используют моторы с 45 градусами между цилиндрами. В то же время двухцилиндровые моторы Ducati зачастую называют L-Twin из-за расположения цилиндров под углом 90 градусов. Кроме того, есть множество компаний, которые использовали V-Twin`ы самых разнообразных форм. Чтобы понять разницу между ними, рассмотрим принцип действия двигателей.

Начнем с V-Twin. Один цикл в четырехтактных моторах совершается за два оборота коленчатого вала. Первый цикл (поворот на 180 градусов) — впрыск, положение поршня вверху (верхняя мертвая точка) и открытый впускной клапан. Далее благодаря вращению коленвала поршень опускается вниз, всасывая топливную смесь. Когда поршень доходит до нижней мертвой точки (конец хода), закрывается впускной клапан и поршень идёт вверх до точки, пока топливная смесь не будет сжата до фиксированной степени. В это же время срабатывают свечи зажигания, топливная смесь взрывается и автоматически двигает поршень обратно вниз. Параллельно открывается выпускной клапан, выхлопные газы уходят из цилиндра, а поршень поднимается вверх.

Теперь посмотрим на рядные двухцилиндровые двигатели. Есть две самых распространенных конструкции: • угол зажигания 180 градусов, один поршень идет вниз, другой верх • угол зажигания 360 градусов, оба поршня ходят параллельно вверх и вниз, но воспламеняются по очереди за каждый оборот коленвала

Также стоит отметить, что в наши дни компания Triumph использует двигатель с 270 градусами на мотоцикле Thunderbird. Он фактически повторяет свойства V-образного двигателя с 90 градусами между цилиндрами, потому что у V-Twin 90* воспламенение происходит каждые 270 градусов оборота коленвала.

У каждой конструкции двигателя свои преимущества. Компактные габаритные размеры двухцилиндровых рядных двигателей являются более приемлемыми при проектировании шасси, у инженеров есть возможность перемещать двигатель вперед или назад, тем самым можно найти оптимальный центр тяжести и распределение масс мотоцикла в целом.

В большинстве своем V-образные двигатели располагают в шасси мотоциклов продольно, так как поперечное расположение создает риск повреждения ребер охлаждения и цилиндров. Таким образом, инженерам сложней найти оптимальные параметры распределения веса, но в то же время мотоцикл получается тоньше между коленями байкера. Существует неправильное представление о мощности, крутящем моменте и вибрации В-твинов и рядников. В основном конфигурация двигателя фактически не влияет на мощность и рабочие характеристики. Многое зависит от настроек мотора и трансмиссии.

В наши дни основная проблема — это вибрации. Все производители заинтересованы в комфорте мотоциклиста и вибрации становится большой проблемой. Harley-Davidson используют различные резиновые «подушки» и демпферы, которые гасят вибрации двигателя. Что касается двухцилиндровых рядных двигателей, то в наши дни их конструкции оптимально сбалансированы, поэтому вибрации не такие сильные. Для сравнения можно взять старинный мотоцикл Triumph Bonneville 1960-ых годов и современный Bonneville T100 (оба двухцилиндровые рядники с 360-градусным зажиганием). Согласно экспертам современный мотоцикл вибрирует совсем немного в сравнении с родоначальником.

В то же время конструкция двигателей Ducati фактически исключает собственные вибрации. Из-за расположения цилиндров под углом 90* движения противоположного поршня всегда противодействует вибрации цилиндра, в котором детонирует топливо.

В общем можно отметить, что рецепта на лучший двигатель нет. Все они хороши, многое зависит от трансмиссии, выхлопа и предпочтений байкера.

Плюсы и минусы

К преимуществам V-образного двигателя по сравнению с рядным двигателем с таким же количеством цилиндров можно отнести:

• Более короткая общая длина
• Половина количества ходов коленчатого вала (за исключением некоторых двигателей V4 и V6) по сравнению с рядным двигателем и, следовательно,
• меньшее трение, что считается преимуществом, особенно в гоночных двигателях
• лучшее охлаждение, особенно головок цилиндров и особенно с воздушным охлаждением

Компактный дизайн экономит материал и, следовательно, вес. V12 с шестиконечным коленчатым валом лишь немного длиннее рядного двигателя с шестью цилиндрами.

V-образный двигатель сложнее рядного двигателя с таким же количеством цилиндров, потому что:

• некоторые узлы необходимо продублировать, например ГБЦ и распредвалы (если они сверху)
• более сложная форма картера .
• Часто в автомобилях требуются две выхлопные линии, которые занимают дополнительное место.
• плохой баланс сил инерции (до V4) и моментов инерции (V4 и V6).

Недостатки смягчаются, например, двигателями VR, такими как Lancia Fulvia (угол крена 13 °) или двигателем VW VR6 (угол крена 15 °) с общей головкой блока цилиндров для обоих рядов цилиндров и только одним коллектором.

Американские двигатели V8 обычной конструкции ( ) имеют только один центральный распределительный вал, который расположен в верхней части блока цилиндров между рядами цилиндров и управляет клапанами с помощью толкателей , бамперов и коромысел. .

Двигатели V4 и V6 часто используются в легковых автомобилях вместо рядных двигателей R6 , поскольку они короче и не такие высокие. К недостаткам относятся вибрации и более грубый звук на высоких оборотах двигателя из-за моментов свободных масс. Из-за несимметричного в продольном направлении коленчатого вала возникают моменты свободных масс первого и второго порядка. Уравновешивающий вал, вращающийся в противоположных направлениях, может компенсировать свободный момент инерции первого порядка. Оставшийся свободный момент инерции второго порядка мал. Поскольку компенсация была бы дорогостоящей, это не делается.

В четырехтактных двигателях V8 с углом крена 90 ° инерционные силы и моменты первого и второго порядка могут быть полностью компенсированы — независимо от угла крена — с помощью V12 и очень редкого V16. Практически полное уравновешивание масс приводит к очень плавному ходу.

Оригинальная конструкция V8 имеет угол ряда цилиндров 90 ° и коленчатый вал с четырьмя кривошипами, которые смещены на 180 ° в одной плоскости (отсюда и название « плоская конструкция», коленчатый вал соответствует конструкции R4). Коленчатый вал прост и недорог в изготовлении. Требуется меньше противовесов, что делает двигатель легче и увеличивает обороты. Однако при такой конструкции возникают свободные силы инерции второго порядка и, следовательно, больше вибраций. Все двигатели V8 до 1925 года были плоскими двигателями. Сегодня этот дизайн по-прежнему используется в гонках и в Ferrari .

Коленчатый вал с крестообразным шлицем

В конструкции V8 с поперечной плоскостью первый и последний кривошипы коленчатого вала находятся в одной плоскости, а два средних кривошипа — в плоскости, перпендикулярной ему. В направлении продольной оси кривошипы образуют крест. Кросс-самолет -Kurbelwellen гораздо сложнее в фильеру , чтобы выковать на плоскую плоскость и, как правило , отбрасывать . Однако они предлагают то преимущество, что свободные силы инерции 1-го и 2-го порядка и свободный момент инерции 2-го порядка уравновешивают друг друга независимо. Возникает свободный момент инерции первого порядка, который можно компенсировать парой противовесов на коленчатом валу. Полный баланс сил и моментов инерции обеспечивает очень плавную работу двигателя. Конструкция была представлена ​​в 1915 году, но только в 1923 году Cadillac и 1924 Peerless выпустили на рынок первые серийные двигатели этого типа. Его недостаток состоит в том, что зажигания — а, следовательно, такты впуска и выпуска — происходят не поочередно в левом и правом рядах цилиндров, а скорее нерегулярно. Это неблагоприятно для хорошего наполнения цилиндров и равномерного распределения смеси или воздуха для горения по всем цилиндрам, но с этим можно справиться с помощью соответствующей конструкции впускного коллектора . Это также создает акустически характерный шум выхлопа («лепет V8»). При высокой мощности двигателя, например, в гонках, эта конструкция требует сложной выхлопной системы .

Преимущества рядного двигателя

Рядный двигатель, также известный как «строчный» или «Inline» двигатель, имеет ряд преимуществ перед другими типами двигателей.

• Простота конструкции: Рядный двигатель обладает более простой конструкцией по сравнению с V-образным двигателем. Это делает его более надежным и дешевым в обслуживании.
• Компактность: Рядные двигатели обычно имеют более компактные размеры, что позволяет устанавливать их в более узкие моторные отсеки, особенно в небольших автомобилях.
• Высокая экономичность: Рядные двигатели обычно обладают хорошей экономичностью расхода топлива. Это связано с более прямым потоком газов и меньшими потерями внутреннего трения.
• Простота доступа для обслуживания: Благодаря прямому расположению цилиндров, рядные двигатели обеспечивают легкий доступ к необходимым деталям и узлам для обслуживания и ремонта.
• Повышенная надежность: Благодаря простоте конструкции и удобству доступа, рядные двигатели обычно имеют более низкую вероятность возникновения поломок и более долгий срок службы.

Преимущества рядного двигателя делают его популярным выбором для множества автомобилей и мотоциклов

Этот тип двигателя обеспечивает надежность, экономичность и удобство обслуживания, что очень важно для любого транспортного средства