понедельник, 14 июля 2008 г.

Двигатели - классификация двигателей, основные понятия и характеристики


История создания автомобиля насчитывает 255 лет и начинается она в России. Термин «автомобиль» происходит от греческого слова autos – «сам» и латинского mobilis – «подвижный», поэтому прообразом автомобиля по праву считаются «самодвижущиеся» повозки. Документально установлено, что в 1752 году механик-самоучка крестьянин Шамшуренков создал «самобеглую коляску», приводимого в движение силой двух человек. Позднее знаменитый изобретатель Кулибин создал «самокатную тележку» с педальным приводом. Но эпоха автомобилестроения наступила гораздо позднее, когда были изобретены первые двигатели, принципы работы которых, используются и до сих пор.

Победа внутреннего над внешним
На смену «самодвижущимя» коляскам на мускульной силе пришли громоздкие машины, двигавшиеся на паровом двигателе. Сначала в 1769-1770 гг. французский инженер Никола-Жозеф Кюньо построил первый паровой автомобиль-тягач для артиллерийских орудий. Затем последовали английские омнибусы XIX века. Однако паровая машина, в которой топливо сгорало вне двигателя (внешнее сгорание) была слишком тяжела, требовала больших запасов воды и топлива, а также много времени на разведение паров.
Альтернативой паровой тяге, царствовавшей во второй половине XIX века, стали двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Первый ДВС был создан в 1860 г. французским инженером Этвеном Ленуаром. Рабочим топливом в его двигателе служила смесь светильного газа (в основном метан и водород) и воздуха. Конструкция имела основные черты будущих автомобильных двигателей: две свечи зажигания, цилиндром с поршнем двустороннего действия, двухтактный рабочий цикл. Но все же о победе над паровой тягой не могло быть и речи – КПД первого ДВС не превышал 4%.
Спустя два года французский изобретатель Бо де Роша, воодушевленный достижением соотечественника, предложил использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1)всасывание; 2) сжатие; 3) горение и расширение; 4) выхлоп. Но реализовать свою идею на практике изобретатель не смог. Только в 1876 г. немецкий служащий из Кёльна Николаус Август Отто создал первый рабочий ДВС с четыректактным рабочим циклом. КПД его ДВС достиг 22%, что было гораздо выше, чем показатели двигателей всех предшествующих типов. Это достижение и стало прологом победного шествия ДВС.
Полную победу ДВС одержали лишь в XX веке. К примеру, в США из выпущенных к 1899 году механических экипажей 40% составляли «паромобили», 38% -«электромобили» и лишь 22% -экипажи с ДВС. Официальный рекорд скорости паромобилей, установленный свыше 100 лет назад (26 января 1906 года), впечатляет и поныне - 206 км/ч. Однако ДВС все-таки победили!

Что не имя, то тип двигателя
Все современные ДВС по принципу своего действия подразделяются на три вида:
- С внешним смесеобразованием (карбюраторные, в т.ч. инжекторные с управляемой системой впрыска двигатели). Зажигание рабочей смеси в цилиндре производится электрической искрой.
- С внутренним смесеобразованием (дизельные).Топливо самовоспламеняется при впрыскивании его в сжатый воздух, нагретый до высокой температуры.
- Роторные. В корпусе овальной формы движутся не поршни на шатунах, а треугольный, с выпуклыми сторонами ротор. Он описывает внутри корпуса кривую, называемую эпитрохоидой, при этом его вершины, плотно прилегая к стенкам корпуса, образуют 3 отдельные камеры сгорания. В камерах последовательно происходит обычный 4-тактный цикл.
За каждым из видов стоят свои имена. Карбюраторные, включая инжекторные, двигатели обязаны своим существованием, упоминавшемуся Николаусу Отто. Усовершенствуя именно его конструкцию, основатели немецкого автопрома Драймлер и Бенц смогли добиться впечатляющих успехов. Есть версия, что европейское название самого распространенного автомобильного топлива - бензина, состоящего из легких фракций, выделяемых путем перегонки нефти происходит от фамилии Бенц. Интересно, что совсем не Бенц догадался использовать бензин в качестве топлива, а Готлиб Даймлер. В поисках более эффективных видов топлива, чем светильный газ, он совершил в1881 году поездку на юг России. Один из продуктов из продуктов нефтепереработки оказался тем, что искал Даймлер бензин хорошо испарялся, быстро и полностью сгорал.
В 1892 году немецкий инженер Рудольф Дизель получил патент на двигатель, впоследствии названный его фамилией. В цилиндры двигателя Дизеля попадает не смесь топлива и воздуха, а только воздух. Поршень, сжимая этот воздух, совершает над ним работу и внутренняя энергия воздуха возрастает. Температура в цилиндре возрастает настолько, что впрыскиваемое туда топливо сразу же самовоспламеняется. Образующиеся при этом газы выталкивают поршень обратно, осуществляя рабочий ход. Дизельные двигатели могут работать на более тяжелых продуктах нефтеперегонки а, значит, на более дешевом топливе, чем бензиновые. Кроме того, дизели обладают более высоким – до 50% КПД. Несмотря на свою долгую историю, массово дизельные двигатели на легковых автомобилях начали устанавливаться только в 1955 году. Пионером стала Компания Chevrolet.
Роторные двигатели были изобретены позднее. В 1936 году Феликс Ванкель запатентовал роторно-поршневой тип двигателя, но он также принадлежит к четырехтактным ДВС, имеющим четыре фазы:
1.Впуск. Одной из граней ротор затягивает топливно-воздушную смесь в камеру двигателя.
2. Сжатие. Проталкивая смесь по направлению к свечам зажигания, ротор сжимает ее
3. Рабочий ход. После воспламенения смеси расширяющиеся газы вращают ротор вокруг эксцентрика, совершая полезную работу
4. Выпуск. Как только одна из вершин ротора открывает выпускное окно, отработавшие газы удаляются в атмосферу
Роторно-поршневые двигатели (РПД) обладают целым рядом преимуществ: очень компактные, легкие, малошумные, преемистые, имеют высокий уровень удельной мощности на единицу веса. Однако, несмотря на множество достоинств, в настоящее время только Mazda, использует двигатели данного типа. В 2003 году силовой агрегат на Mazda Renesis RX8 по итогам конкурса «Двигатель года» был признан лучшим автомобильным мотором планеты. У остальных автогигантов роторные двигатели получались прожорливыми, обладали малым ресурсом и часто ломались. Кроме того, сейчас им очень трудно вписаться в нынешние экологические требования.
Знакомы РПД и отечественному автопрому. В 1974 году на базе АВОВАЗА было создано специальное конструкторское бюро роторно-поршневых двигателей (сейчас о нем практически ничего не слышно, была информация что бюро что-то разрабатывает для авиастроения). Для массового потребителя вазовские автомобили с РПД не дошли, а вот спецслужбам до недавних пор кое-где исправно служили. Неприметные с виду автомобили легко догоняют «заряженные» иномарки – 190 лошадей при удивительной преемистости под капотом неказистой «девятки», «десятки» или «Москвича 2141» это вам не шутка!
Составные части
Базой для всех механизмов и систем ДВС служит ОСТОВ ДВИГАТЕЛЯ – группа неподвижных деталей, являющихся опорой для остальных. К остову относятся блок-картер, головка (головки) цилиндров, крышки подшипников коленчатого вала, передняя и задняя крышки блок-картера, а также масляный поддон и ряд мелких деталей. Блок цилиндров представляет собою отливку с отверстиями (цилиндрами), в которые при сборке вставляются поршни. Раньше блок выливали из чугуна, теперь все чаще блок отливают из алюминия, а чугунными делаются только стенки цилиндров - гильзы, которые запрессовывают в блок цилиндров.
В блоке может быть разное число цилиндров - 4, 6 или 8 цилиндров (и соответственно поршней). Большее или меньшее число встречается гораздо реже. Чем больше цилиндров, тем мощней двигателей, и тем равномерней вращается коленчатый вал. Так, в четырехцилиндровом двигателе за два оборота коленчатого вала получается не один, а четыре рабочих хода.
Каждый поршень связан с коленчатым валом с помощью шатуна. Один конец шатуна свободно качается внутри поршня на стальном пальце, а другой - опирается на шейку коленчатого вала с помощью подшипника. Сам коленчатый вал прикреплен к блоку цилиндров на нескольких коренных подшипниках. На заднем его конце насажен маховик, а на переднем – шестерня. Эта группа движущихся деталей относится к МЕХАНИЗМУ ДВИЖЕНИЯ. Его задача - воспринимать давление газов в цилиндрах и преобразовать это давление в крутящий момент на коленчатом валу двигателя.
Шестерня приводит во вращение кулачковый валик (распределительный вал), который при помощи толкателей, штанг и коромысел управляет клапанами, а также насос, впрыскивающий горючее в цилиндры двигателя. Клапаны закрываются клапанными пружинами. В комплексе получается единый МЕХАНИЗМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ, который служит для своевременного впуска горючей смеси в цилиндры и выпуска отработавших газов.
Смесь топлива и воздуха в цилиндрах двигателя сгорает, и в результате температура образующихся газов достигает 2500° С. Чтобы цилиндр не расплавился, его охлаждают жидкостью (водой, антифризом и т.д.), которую насос подает через отверстия - водяную рубашку - блока цилиндров. Горячая вода охлаждается в радиаторе и снова поступает в рубашку. Правда, встречаются анахронизмы, когда охлаждение осуществляется за счет воздуха, поступающего от вентилятора, например, как у «Запорожца», или напрямую встречным потоком воздуха как у мотоколясок.
Помимо остова механизмов движения и газораспределения, а также системы охлаждения работу двигателя обеспечивает еще несколько систем:
- смазки;
- питания;
- зажигания;
- пуска;
- впуска и выпуска.
Все эти системы есть в каждом автомобильном двигателе, их функции одинаковы, однако различия в их конструкции, применяемых материалах и размерах и создает богатейшую гамму современных ДВС.
Сколько в литре лошадей?
Чтобы понять, чем одни двигатели отличаются от других, следует иметь представление о рабочих характеристиках ДВС и базовых понятиях.
Первая характеристика – это объем двигателя, исчисляется в литрах или кубических сантиметрах. Общий литраж – рабочий объем всех цилиндров двигателя
Объем камеры сгорания V c - объем, образующийся над поршнем, когда последний находится в в.м.т
Полный объем цилиндра V п - это его рабочий объем плюс объем камеры сгорания
Рабочий объем цилиндра V р - объем, освобождаемый поршнем при движении от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки. Мертвыми точками называются крайние верхнее и нижнее положения поршня, где его скорость равна нулю.
Мотор первого серийного автомобиля Бенца обладал рабочим объемом 1,7 литра при мощности до 2,5 л.с. Этого было достаточно для езды с максимальной скоростью 19 км/час. Самый большой двигатель объемом 13,5 л имели несколько моделей серийных американских автомобилей: Пирс-Эрроу 66 Рейсэбаут, 1912-18 гг.; Пирлесб-60, 1912-14 гг.; и Фагеол, 1918 г. Рекорды прошлого превзошел лишь американский концепт-кар 2003 года Cadillac Sixteen, двигатель которого длиною в полтора метра и рабочим объемом 13,6 литров развивает мощность 1000 л.с.
Большинству современных автомобилей хватает объема от 1,5 до 2,5 литров. Из этого ряда выпадают малолитражки для города (до 1 литра), а также мощные джипы, родстеры и суперкары. Их объем может составлять до 6-7 литров, например как у Lamborghini Diablo VT 6.0 SE (5992 куб.см) или как у Mercedes-Benz SLR McLaren (5492 куб.см).
Вторым важным показателем является мощность - достаточно условный параметр, который отражает полезную работу, совершаемую газами в цилиндрах двигателя в единицу времени. Различают индикаторную и эффективную мощность.
Индикаторная мощность – мощность, развиваемая расширяющимися газами при сгорании топлива в цилиндрах двигателя (без учета потерь)
Эффективная мощность – мощность, получаемая на маховике коленчатого вала. Она на 10 – 15% меньше индикаторной из-за потерь на трение и приведение в движение вспомогательных механизмов и приборов.
Мощность измеряется в киловаттах или лошадиных силах. «Лошадиная» величина пришла к нам из Великобритании, где была оценена работа лошади за единицу времени: перемещение груза в 200 фунтов на 165 футов за минуту. Однако в автопроме пользуются метрической величиной мощности, единица которой (вспомните школьный курс физики) составляет - киловатт (кВт ). Один киловатт мощности равен 1,35962 л. с.
От мощности неотделим показатель— крутящий момент, характеризует его способности по части вращения колес. Наибольшую мощность можно реализовать только при установившихся оборотах, близких к максимальным. Для современных моторов максимальная мощность достигается при 4000-7000 об/мин. коленвала. Двигатели гоночных автомобилей и мотоциклов могут развивать 15 000 об/мин и более.
Измеряется крутящий момент в Ньютонах (единица силы), умноженных на метр. Крутящий момент является важнейшим динамическим показателем и характеризует тяговые возможности двигателя. Он представляет собой произведение результирующих всех сил - давления продуктов сгорания топлива, трения, инерции и т.д., на плечо приложения, которое равно радиусу кривошипа коленчатого вала. Для большинства автомобилей максимальный крутящий момент находится в пределах 100-250Нм (например, Suzuki Liana с двигателем 1,6 л. обходится 144 Нм), а у монстров он зашкаливает за 500, и даже за 1000 Нм (1020 Нм у Maybach Exelero).
Связь крутящего момента и мощности выражается достаточно простой формулой: Мкр = kN/n, где k - коэффициент, N - мощность, n - частота вращения коленчатого вала. Поэтому понятно, почему малооборотные дизели располагают более высокими крутящими моментами, нежели бензиновые двигатели такой же мощности.
На мощность также виляет способ наполнения цилиндра свежим зарядом. По этому признаку два типа двигателя :а) двигатели без наддува, у которых впуск воздуха или горючей смеси осуществляется за счет разряжения в цилиндре при всасывающем ход поршня;б) двигатели с наддувом, у которых впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под давлением, создаваемым компрессором, с целью увеличения заряда и получения повышенной мощности двигателя.
Наддув использовал еще Бенц, но и теперь на заряженных «Мерседесах» гордо красуется шильдик «Kompressor», означающий наличие турбонаддува, который правда ведет к увеличению расхода топлива.
Общую эффективность работы двигателей оценивает такой показатель как литровая мощность - наибольшая эффективная мощность, получаемая с одного литра рабочего объема (литража) цилиндрического двигателя. Самым впечатляющим показателем для серийных автомобилей считается достижение инженеров Maserati создавших спорткар Ghibli Cup – 2 литра способны выдавать 330 л.с. – такого показателя не способы достичь даже болиды Formula-1. Правда, за последние годы к этому показателю приблизились многие производители.
Сколько, где и как?
Выше уже упоминалось о различном количестве цилиндров в двигателях. В большинстве автомобилях используется по 4 цилиндра. Большее число служит для увеличения мощности. Есть и 6-ти, и 8-ти, и 10-ти, и 12-ти, и 16-ти -цилиндровые двигатели.
Так самый мощный родстер в мире Brabus SV12 S Biturbo Roadster. обладает оснащенным двумя турбинами мотором V12, объемом в 6.3 литра. А 16 цилиндров Bugatti Veyron позволяет достигать мощности 1001 л.с. (рекорд для серийных автомобилей) и разгоняться до скорости в 100 км/ч за 2,8 секунды!
Многоцилиндровый мотор может быть либо изначально спроектирован как единое целое, либо быть «скроеным» из двух и более составляющих. Например, 16 цилиндровый движок спорткара Cizeta V16 T был сделан на основе двух восьмицилиндровых от Ferrari.
Когда двигателя «много», то встает вопрос, как разместить цилиндры? Традиционно по способу расположения цилиндров двигатели бывают рядные, V-образные и оппозитные. У рядных цилиндры расположены в один ряд вертикально, наклонно или горизонтально. У V-образных - в два ряда под углом 90 или 60°.
У оппозитных два ряда горизонтальных цилиндров расположены друг против друга. Классический пример тому автомобили Subaru, которые до последнего времени выпускались только с подобной компоновкой. Видимо сказался опыт компании, поставлявшей двигатели для самолетов имперской Японии.
V-обраные и оппозитные двигатели отличаются малой длиной и располагаются как правило продольно их расположении: остается больше места для пассажиров или груза. Правда, оппозитные занимают всю ширину моторного отсека.
Двигатели с горизонтальными цилиндрами отличаются малой высотой, их можно установить под полом кабины или кузова. Такую схему очень любили американцы, не жалея места под длинным капотом Кадиллаков. Наклон цилиндров тоже уменьшает высоту двигателя. При поперечном расположении двигатель делают рядным, чтобы лучше использовать длину автомобиля.
Раньше использовались также двигатели и с радиальной компоновкой цилиндров (по радиусу). Это метод был заимствован вместе с двигателями из авиастроения, которое кстати очень много дало автопрому. Например, в 1928году BMW по лицензионному соглашению начало производство радиальных двигателей совместно с американским производителем авиамоторов Pratt & Whitney.
Большие перспективы и за модифицированной V-образныой компоновкой. Первопроходцами стали инженеры Volkswagen. В начале 1980-х были созданы V-образно двигатели VR6 и VR5. Небольшой, 15°, развал между рядами цилиндров (обычно угол составляет 60 или 90°) позволил применить для них общую головку. Затем на основе этих разработок была спроектирована серия модульных W-образных двигателей, объединяющих под углом в 72° две цилиндро-поршневые группы от моторов VR-типа. Двигатель фактически стал похож на конструктор Лего.
Большое число цилиндров, как правило, означает и принадлежность к элитной категории. Ярким примером может служить брэнд BMW. Уже в 1933 году начало строить шестицилиндровые двигатели. Правда удвоить число цилиндров немецкая компания смогла лишь в 1987 году.
Роскошь управлять мощными автомобилями всегда оборачивалась огромным расходом топлива. До недавнего времени водителям приходилось мириться, что несмотря ни на скорость, ни на другие показатели режима езды задействованными были все 8, 12 или 16 цилиндров. И только недавно появились системы, позволяющие отключать часть цилиндров отключается во время езды, когда полная мощность двигателя избыточна. Подобные технические решения уже воплощены в топовых версиях Mercedes-Benz S-класса и на некоторых машинах GM 2005 модельного ряда DOD. А Cadillac Sixteen на демонстрационном тест-драйве от Детройта до Калифорнии показал себя следующим образом: 65% времени езды на восьми цилиндрах, 30% - на четырех и лишь 5% - на всех шестнадцати.
Количество цилиндров и способ их размещения влияют также и на решение еще одной инженерной задачи – в какой части автомобиля будет расположен двигатель. По классической схеме двигатель располагается впереди. Но нередко его устанавливают и сзади – причем пример «Запорожца» далеко не единственный, у многих суперкаров, включая упомянутый спорткар Cizeta V16 T с его 16 цилиндрами, 64 клапанами и восемью распредвалами. Устанавливают двигатели и посередине. Как правило, это также удел суперкаров. Одним из самых известных среди них является «Bora» 1970-х годов от Maserati–автомобиль класса GT, сочетавший скорость и мощь, комфорт и роскошь.
В борьбе за выживание
Автомобильные двигатели внутреннего сгорания оказали огромное влияние на развитие человечества, но стали своеобразными заложниками прогресса. Постоянно ужесточающиеся экологические нормы, бурное развитие электроники и электротехники, исследование альтернативных источников энергии и их практического применения вполне возможно заставят нас в скором будущем пользоваться транспортом, оснащенными другими видами двигателей. Уже сейчас растет парк автомобилей с гибридными двигателями, хотя со дня первых массовых продаж в 2003 году Тойотой прошло не так много времени.
Водородные топливные ячейки, электрическая тяга, нанотехнологии безусловно сделают автомобили комфортнее, экологичнее, экономнее. Но человечеству вряд ли захочется расставаться с несравнимым чувством под воздействием адреналина, который по настоящему может вызвать только автомобиль оснащенный ДВС. Пусть он даже мощно ревет, бешено ускоряется, заставляет нас волноваться. За это мы и любим наши машины. И вряд ли автоинженеры захотят разочаровывать нас и еще побортся за свои детища. Поэтому точку в истории автомобильных ДВС ставить еще рано...


Дмитрий Протасов, Ставрополь