Двигатели легковых авто классифицируют:
1. По роду применяемого топлива - бензиновые, дизельные.
2. По способу образования горючей смеси - внешнее (карбюратор) и внутреннее у дизельного ДВС.
3. По способу воспламенения либо искра либо сжатие.
4. По числу и расположению цилиндров разделяют рядные, горизонтальные (оппозитные), вертикальные, V-образные.
Бензиновые двигатели — это класс двигателей внутреннего сгорания, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. Управление мощностью в бензиновом двигателе производится регулированием потока воздуха, посредством дроссельной заслонки.
Карбюраторные и инжекторные двигатели
По способу смесеобразования бензиновые двигатели делятся на карбюраторные, инжекторные и прямого впрыска.
Процесс приготовления горючей смеси в карбюраторных двигателях происходит в карбюраторе — специальном устройстве, в котором за счёт аэродинамических сил топливо смешивается с потоком воздухаРабочий орган представляет собой пластину, закрепленную на вращающейся оси, помещённую в трубу, в которой протекает регулируемая среда.
В инжекторных двигателях впрыск топлива в воздушный поток осуществляют специальные форсунки, к которым топливо подаётся под давлением, а дозирование осуществляется электронным блоком управления — подачей импульса тока, открывающим форсунку.
Переход от классических карбюраторных двигателей к инжекторам произошёл в основном из-за возрастания требований к чистоте выхлопа (выпускных газов), и установке современных нейтрализаторов выхлопных газов (катализаторов). Обязательным элементом такой системы управления является лямбда-зонд (кислородный датчик). Благодаря кислородному датчику система управления, постоянно анализируя содержание кислорода в выхлопных газах, поддерживает точное соотношение кислорода, недоокисленных продуктов сгорания топлива, и оксидов азота, которое способен обезвредить катализатор.
Система непосредственного впрыска
Самой современной системой впрыска топлива бензиновых двигателей является система непосредственного впрыска топлива, основанная на впрыске топлива непосредственно в камеру сгорания двигателя.
Применение данной системы позволяет достичь до 15% экономии топлива, а также сокращения выброса вредных веществ с отработавшими газами.
Конструкция системы непосредственного впрыска топлива рассмотрена на примере системы, устанавливаемой на двигатели FSI (Fuel Stratified Injection – послойный впрыск топлива). Система представляет собой дальнейшее развитие объединенной системы впрыска и зажигания Motronic.
Устройство системы непосредственного впрыска:
• топливный насос высокого давления;
• регулятор давления топлива;
• топливная рампа;
• предохранительный клапан;
• датчик высокого давления;
• форсунки впрыска;
• блок управления двигателем;
• входные датчики.
Топливный насос высокого давления подает топливо к форсункам впрыска под высоким давлениям (3-11 МПА) в соответствии с потребностями двигателя. Основу конструкции насоса составляет один или несколько плунжеров. Насос приводится в действие от впускного распределительного вала двигателя.
Регулятор давления топлива обеспечивает дозированную подачу топлива насосом в соответствии с впрыском форсунки. Расположен в топливном насосе высокого давления.
Топливная рампа распределяет топливо по форсункам впрыска и предотвращает пульсацию топлива в контуре.
Предохранительный клапан устанавливается на топливной рампе и защищает элементы системы впрыска от предельных давлений, возникающих при температурном расширении топлива.
Датчик высокого давления служит для измерения давления в топливной рампе. В соответствии с сигналами датчика блок управления двигателем может изменять давление в топливной рампе.
Форсунка впрыска обеспечивает распыление топлива для образования определенного вида топливно-воздушной смеси.
Блок управления двигателем в совокупности с входными датчиками образуют систему управления двигателем.
В результате работы система непосредственного впрыска обеспечивает:
послойное смесеобразование - используется при работе двигателя на малых и средних оборотах и нагрузках. Дроссельная заслонка почти полностью открыта, впускные заслонки закрыты. Воздух, с образованием воздушного вихря, поступает в камеры сгорания с большой скоростью. В зону свечи зажигания в конце такта сжатия производится впрыск топлива. За непродолжительное время до воспламенения в районе свечи зажигания образуется топливно-воздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха от 1,5 до 3. Смесь воспламеняется и вокруг нее остается достаточно много чистого воздуха, выступающего в роли теплоизолятора.
стехиометрическое гомогенное смесеобразование - применяется при высоких оборотах двигателя и больших нагрузках. Впускные заслонки открыты, дроссельная заслонка открывается в соответствии с положением педали газа. Впрыск топлива происходит на такте впуска, что способствует образованию однородной смеси. Коэффициент избытка воздуха составляет 1. При воспламенении смесь эффективно сгорает во всем объеме камеры сгорания.
гомогенное смесеобразование - двигатель работает в промежуточных режимах. Дроссельная заслонка максимально открыта, впускные заслонки закрыты. При этом создается интенсивное движение воздуха в цилиндрах. На такте впуска производится впрыск топлива. Коэффициент избытка воздуха поддерживается на уровне 1,5.
Четырехтактные и двухтактные двигатели
По способу осуществления рабочего цикла двигатели бывают четырехтактные и двухтактные.
Двухтактные двигатели обладают меньшим КПД, однако большей мощностью на единицу объёма. Поэтому применяются там, где очень важны небольшие размеры и неважна топливная экономичность, например, на мотоциклах.
Четырёхтактные двигатели устанавливаются на большинство транспортных средств. Не только бензиновые, но и дизельные двигатели могут быть четырёхтактными или двухтактными. Двухтактные дизели применяются в основном на больших судах (реже на тепловозах и грузовиках) и лишены многих недостатков бензиновых двухтактных двигателей.
Также бензиновые двигатели классифицируют по числу цилиндров — одноцилиндровые, двухцилиндровые и многоцилиндровые; по расположению цилиндров — двигатели с вертикальным или наклонным расположением цилиндров в один ряд ("рядный" двигатель), V-образные с расположением цилиндров под углом, W-образные, использующие 4 ряда цилиндров, расположенных под углом с 1 коленвалом; по способу охлаждения — на двигатели с жидкостным или воздушным охлаждением; по типу смазки - смешаный тип (масло смешивается с топливной смесью) и раздельный тип (масло находится в картере); по виду применяемого топлива — бензиновые и многотопливные; по степени сжатия - двигатели высокого (E=12…18) и низкого (E=4…9) сжатия; по способу наполнения цилиндра свежим зарядом: двигатели без наддува (атмосферные), у которых впуск воздуха или горючей смеси осуществляется за счет разряжения в цилиндре при всасывающем ходе поршня; двигатели с наддувом, у которых впуск воздуха или горючей смеси в рабочий цилиндр происходит под давлением, создаваемым турбокомпрессором, с целью увеличения заряда воздуха и получения повышенной мощности и КПД двигателя; по частоте вращения: тихоходные, повышенной частоты вращения, быстроходные; по назначению-стационарные, автотракторные, судовые, тепловозные, авиационные и др.
Дизельный двигатель — это поршневой двигатель внутреннего сгорания, который работает по принципу воспламенения топлива от сжатия и высокой температуры. Дизельные двигатели используют в своей работе дизельное топливо (в народе — «солярка»).
Первый «Дизель-мотор» был построен Рудольфом Дизелем в начале 1897 года и успешно испытан 28 января того же года.
Основное отличие дизельного двигателя от бензинового - способ подачи топливовоздушной смеси в цилиндр и способ ее воспламенения. В дизеле воздух подается в цилиндр отдельно от топлива и затем сжимается. Из-за высокой степени сжатия (обычно 20:1), воздух от сжатия нагревается до температуры свыше 700°С. Когда поршень поднимается в верхнюю мертвую точку (конец такта сжатия), топливо под очень высоким давлением впрыскивается в камеру сгорания в распыленном до мельчайших частиц состоянии. Затем топливо смешивается с воздухом, и, так как температура воздуха очень высокая, происходит сгорание топливовоздушной смеси. При сгорании выделяется энергия, которая движет поршень вниз (рабочий ход). При снижении температуры воздуха из-за образования парафина текучесть дизельного топлива ухудшается. По этой причине оно становится густым и забивает топливный фильтр. Именно из-за этого фирмы-производители дизельного топлива добавляют в него зимой специальные присадки, которые повышают текучесть топлива и гарантируют надежный запуск до температуры минус 22°С. Если при похолодании (ниже -10°С) в баке находится летнее топливо, то нужно добавить в него специальную разжижающую присадку. При запуске двигателя в холодную погоду температура сжатого воздуха в цилиндре может оказаться недостаточной для воспламенения топлива. Решить эту проблему помогает система предварительного накала (подогрева).
Как работает дизель?
Первый такт (такт впуска, поршень идет вниз) - воздух втягивается в цилиндр через открытый впускной клапан.
Второй такт (такт сжатия, поршень идет вверх) - впускной и выпускной клапаны закрыты, воздух сжимается в объеме примерно в 17 раз (от 14:1 до 24:1), т.е. по сравнению с общим объемом цилиндра объем становится меньше в 17 раз, воздух становится очень горячим.
Третий такт (такт рабочего хода, поршень идет вниз) - топливо впрыскивается в камеру сгорания через распылитель форсунки. При впрыске топливо распыляется на мелкие частицы, которые перемешиваются со сжатым воздухом для создания самовоспламеняемой смеси. Энергия высвобождается при сгорании, когда поршень начинает свое движение в такте рабочего хода. Впрыск продолжается, что вызывает поддержание постоянного давления сгораемого топлива на поршень.
Четвертый такт (такт выпуска, поршень идет вверх) - выпускной клапан открывается и через него проходят выхлопные газы.
Common Rail
Самый современный этап эволюции бензиновых и дизельных двигателей с прямым впрыском топлива - дизель системы Common Rail. Отличие его от традиционных дизелей с низким давлением подачи топлива в наличии рампы, куда под большим давлением (более 1000бар) подается дизельное топливо, которое далее распределяется между электрическими форсунками с соленоидными клапанами.
Прототип системы Common Rail был разработан в конце 60-х годов Робертом Хубером в Швейцарии.
Принцип работы:
Насос поставляет дизельное топливо из бака через подогреватель топлива и фильтр к насосу высокого давления. Он приводится в работу двигателем и направляет топливо под высоким давлением в рампу. Для нормальной работы некоторых типов систем необязательно поддерживать постоянно самое высокое давление. Трубки рампы оканчиваются инжекторами и имеют одинаковую длину. На рампе также расположен регулятор давления, который отправляет лишнюю часть топлива обратно в бак через охладитель. С помощью датчика давления в рампе блок управления двигателем может получать информацию о давлении в рампе и контролировать его.
В настоящее время дизели системы COMMON RAIL вытесненяют традиционные дизеля. Причинами этого служат меньший шум, лучшие экологические данные по выхлопу, более дешевое производство компонентов.