Вместо сердца – пламенный мотор

Большинство автомобилистов, особенно слабого пола, ездят на автомобилях, порой совершенно не задумываясь, а что же движет автомобиль? Оно и понятно, лезть под капот совершенно не хочется ни летом, ни зимой. Но все же об основных отличиях и разновидностях существующих на сегодня автомобильных двигателей стоит рассказать подробнее, ибо грядет, по выражению Конфуция, «эпоха перемен», и всем стоит осознать что же мы приобрели, а что потеряли. А то жену, варящую хороший борщ, уже не сыскать, нефть кончается, рок-н-ролл мертв и гибридные разработки вовсю теснят обычные двигатели.

Итак, ДВС, двигатель внутреннего сгорания, назван так потому, что процесс сгорания топлива скрыт от глаз и увидеть его невозможно, в отличие от скажем парового двигателя, где мы способны заглянуть в топку (не рекомендуем). Основное преимущество современных автомобильных двигателей – это размеры и эффективность, ведь сложно представить себе машину размера Daewoo Matiz с паровым двигателем на угле или дровах.

Основная масса современных двигателей относится к группе поршневых. Чтобы понять работу поршневого двигателя, домохозяйке, отложив в сторону свиную отбивную, следует представить себе цилиндр, в который с одной стороны входит топливо, возгорается там при помощи искры свечи зажигания (чью работу можно сравнить с обычной кухонной электрозажигалкой для плиты).

В результате сгорания образующиеся газы толкают собой поршень, который, в свою очередь толкая кривошипно-толкающий механизм (сложновато найти пример для домохозяек), преобразуют возвратно-поступательную энергию (хороший муж покажет) во вращательную (соковыжималка). Вытолкнув цилиндр, освободившиеся газы через систему выхлопа (труба сзади машины) выходят наружу. Двигатель выдает высокую мощность, называемую «крутящий момент», в узком диапазоне оборотов, и ему помогает работа трансмиссии, автоматической или ручной (та самая противная палка справа от руля). Машина не будет ехать быстрее, если вовремя не переключить передачу. К сожалению, дальше на таком понятном арго изъясняться не получится.

ДВС в свою очередь делятся на бензиновые, дизельные и газовые. На современных автомобилях широко применяются только бензиновые и дизельные ДВС. Бензиновые двигатели по типу подачи топлива делятся на карбюраторные и инжекторные. Карбюратор, ныне признанный архаичным из-за возросших экологических норм, смешивает горючую смесь за счет энергии потока воздуха засасываемого двигателем. Уцелевшие карбюраторные двигатели до сих бороздят просторы нашей родины в основном на многочисленной вазовской «классике». Инжектор, изначально применявшийся на авиационных двигателях, ныне самый распространенный тип впрыска топлива. Инжектор – это специальные форсунки, которые с помощью электроники самонастраиваются по датчику кислорода и впрыскивают смесь, позволяя добиться более качественных рабочих характеристик, уменьшая расход топлива, улучшая разгонные характеристики и показатели выброса вредных веществ в атмосферу.

По расположению цилиндров большинство бензиновых двигателей сегодня являются рядными и V-образными, когда цилиндры размещаются под углом 90°С, чаще с 6 и 8 цилиндрами. Оппозитные двигатели, где цилиндры расположены напротив друг друга, встречаются гораздо реже. Оппозитный двигатель, именуемый также boxer за сходство с движением кулаков боксеров, позволяет понизить центр тяжести и вследствие улучшить управляемость. Поэтому он нашел себе применение на машинах со спортивным характером – почти всех моделях Subaru и на Porshe 911. А рядное расположение цилиндров успешно применяется не только фирмой BMW.

Отдельно стоить упомянуть роторно–поршневые двигатели. Единственной серийной машиной с таким двигателем на сегодня является спортивная Mazda RX8. Двигатель, именуемый Renesis, даже был выбран лучшим двигателем 2003 года. Ротор более прост по конструкции, будучи лишен «посредничества» шатунов и коленвала, обладает высоким КПД, но не так экономичен, как инжекторный, и очень чувствителен к качеству масла и уплотнителей.

Дизельный двигатель использует тот же самый поршневой принцип, но работает не на бензине, а на дизельном топливе. Дизельное топливо, называемое в народе «солярка» и «мазут» и увековеченное в частушке «мы с Иваном Ильичем работали на дизеле...» является продуктом получающимся из керосиново-газойлевых фракций прямой перегонки нефти. Основной показатель дизельного топлива – это цетановое число Л-45. Цетановое число характеризует способность топлива к воспламенению в камере сгорания и для дизельного топлива должна быть не выше 70°C. Температура перегонки, определённая по ASTM D86, для дизельного топлива не должна быть ниже 200 и выше 350°C. Дизельное топливо – более экономичное и экологически чистое, чем бензин. Но большинству автолюбителей достаточно запомнить, что чем выше цетановое число, тем лучше воспламеняемость смеси при сжатии.

Основное отличие дизельного двигателя от бензинового заключается в способе подачи топливо-воздушной смеси в цилиндр и способе её воспламенения. В бензиновом двигателе топливо смешивается с всасываемым воздухом до попадания в цилиндр, получаемая смесь поджигается в необходимый момент свечой зажигания.

На всех режимах, за исключением режима полностью открытой дроссельной заслонки, дроссельная заслонка ограничивает воздушный поток, и наполнение цилиндров происходит не полностью. В дизельном двигателе воздух подается в цилиндр отдельно от топлива и затем сжимается. Из-за высокой степени сжатия (от 14:1 до 24:1), когда воздух нагревается до температуры самовоспламенения дизельного топлива (70-80°С), оно впрыскивается в камеры сгорания форсунками под большим давлением (от 10 до 220 МПа). Свечи у дизеля тоже могут быть, но они являются свечами накаливания и разогревают воздух в камере сгорания, чтобы облегчить запуск.

Дизельный двигатель гораздо эффективнее бензинового, КПД которого редко достигает 30%, а турбированный дизель способен достигать 50% КПД, будучи при этом более экологически чистым по выхлопу. Именно из-за так называемой «тяговитости» и экономичности дизельные двигатели используются на сельскохозяйственной, строительной и военной технике.

На легковых автомобилях дизель широко распространен на внедорожниках, а в Европе дизельные двигатели настолько популярны, что широко применяются даже на самых маленьких автомашинах. Основные недостатки современных дизельных двигателей по сравнению с бензиновыми: помутнение и застывание дизельного топлива при низких температурах, сложность в ремонте топливной аппаратуры, так как насосы высокого давления являются устройствами, изготовленными с высокой точностью.

Также дизель-моторы крайне чувствительны к загрязнению топлива механическими частицами и водой. Данные загрязнения очень быстро выводят топливную аппаратуру из строя. Ремонт дизель-моторов, как правило, значительно дороже ремонта бензиновых моторов аналогичного класса. Литровая мощность также, как правило, уступает аналогичным показателям бензиновых моторов, хотя дизель-моторы обладают более ровным крутящим моментом в своем рабочем диапазоне.

Будущее дизельных двигателей светло – многие компании начали разработку дизельных двигателей работающих на биодизеле: топливе на основе растительных или животных жиров. Компания Volkswagen, к примеру, вообще решила отказаться от разработок гибридных двигателей, сосредоточившись на внедрении своих новейших экологически чистых дизельных двигателей.

Для повышения мощности как на бензиновых, так и на дизельных двигателях используется наддув, то есть увеличение подачи, нагнетание топливно-воздушной смеси с помощью турбины за счет ее вращения отработанными газами. Кроме того, возможно механическое нагнетание через магнитную муфту. Соединив все достоинства и сгладив недостатки этих двух способов, концерн Volkswagen разработал революционный бензиновый двигатель TSI объемом 1,4 литра, способный выдать до 170 л. с. При этом достигается небывалый прежде для двигателей подобной мощности расход топлива 7-8 литров на сотню.

В статическом режиме компрессора при высоких оборотах двигателя создаваемое давление наддува недостаточно, и поэтому механический компрессор работает постоянно. В динамическом режиме работы турбокомпрессора механический компрессор подключается лишь на короткое время для компенсации турбоям и гарантирует так называемый турбоподхват при любых оборотах двигателя.

Вплоть до 3 500 об/мин двигателя компрессор подключается по необходимости. Это требуется, например, тогда, когда двигатель постоянно работает в этом диапазоне, а затем следует сильное ускорение. По причине инерционности турбонагнетателя это привело бы к задержке ускорения (турбояма). Поэтому здесь подключается компрессор, максимально быстро создающий необходимое давление наддува. В зависимости от нагрузки и числа оборотов блок управления двигателя определяет, работает ли турбонагнетатель в одиночку или должен быть подключен компрессор.

А в будущем нас ожидает два пути: либо дальнейшее развитие гибридных силовых установок, что само по себе полумера, так как любой гибрид частично задействует все тот же ДВС на бензине или дизеле; либо прорыв в развитии двигателей на водородных топливных элементах. Ну, об этом позже и подробнее в отдельной статье.