Блок цилиндров — основная и самая дорогостоящая часть двигателя. Именно в блоке расположены отверстия цилиндров, в которых перемещаются поршни и происходят все процессы сгорания, в результате которых вырабатывается энергия. Блок цилиндров так же является основой двигателя, к которой крепятся все остальные детали. К блоку цилиндров также крепятся различные вспомогательные механизмы двигателя и других систем автомобиля. Например, электрический генератор, насос системы гидроусилителя рулевого управления и компрессор кондиционера. К блоку цилиндров крепится картер сцепления или корпус гидротрансформатора автоматической коробки передач. В самом блоке цилиндров расположен коленчатый вал и другие детали кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Отливается как правило из чугуна, реже — литейных алюминиевых или магниевых сплавов. В старых конструкциях двигателя, некоторые из них выпускаются и в настоящее время (в основном в Америке), в блоке цилиндров располагался и распределительный вал, а когда-то, совсем давно, и сами клапаны, вместе с клапанными механизмами, тоже располагались в блоке цилиндров. В таких, так называемых нижнееклапанных двигателях головка блока цилиндров была просто крышкой с единственными отверстиями для установки свечей зажигания.
Но в современных конструкциях распределительный вал (валы), клапаны, впускные и выпускные каналы расположены в головке блока цилиндров. Сверху блок цилиндров закрывается мощной головкой блока цилиндров, а снизу блок цилиндров закрывается поддоном системы смазки.
Сотню лет назад моторы были еще карбюраторные, с зажиганием от магнето, обычно нижнеклапанные или даже с «автоматическим» впускным клапаном… И ни о каких наддувах еще и не думали. А еще старые-старые двигатели не имели детали, которая сейчас является главным его компонентом – блока цилиндров.
Разновидности двигателей по способу воспламенения —
По способу воспламенения типы двигателей делятся на моторы с искровым зажиганием и моторы с воспламенением от сжатия.
• Двигатели с искровым зажиганием для воспламенения топливно-воздушной смеси используют искру свечей зажигания.
• Двигатели с воспламенением от сжатия используют для этого сжатие, при помощи которого достигается температура, необходимая для воспламенения топлива.
В первом случае речь идет про бензиновые ДВС, во втором – про моторы на «тяжелом» топливе, они используют воспламенение от сжатия.
Эффективный КПД любого поршневого ДВС, вне зависимости от количества цилиндров не превышает 60 %.
До внедрения БЛОКА —
Первые моторы имели картер, цилиндр (или несколько цилиндров), но блока у них не было. Вы удивитесь, но основа конструкции – картер – частенько был негерметичным, поршни и шатуны были открыты всем ветрам, а смазывались из масленки капельным способом. Да и само слово «картер» сложно применимо к конструкции, сохраняющей взаимное положение коленчатого вала и цилиндра в виде ажурных кронштейнов.
У стационарных двигателей и судовых подобная схема сохраняется и по сей день, а автомобильные ДВС все же нуждались в большей герметичности. Дороги всегда были источником пыли, которая сильно вредит механизмам.
Первопроходцем в области «герметизации» считается компания De Dion-Bouton, которая в 1896 году запустила в серию мотор с цилиндрическим закрытым картером, внутри которого размещался кривошипно-шатунный механизм. Правда, газораспределительный механизм с его кулачками и толкателями размещался еще открыто – это было сделано ради лучшего охлаждения и ремонта. Кстати, к 1900 году эта французская компания оказалась крупнейшим производителем машин и ДВС в мире, выпустив 3 200 моторов и 400 автомобилей, так что конструкция оказала сильное влияние на развитие моторостроения.
Нововведение Генри Форда — первая массовая конструкция с цельным блоком цилиндров до сих пор остается одной из самых массовых машин в истории. Модель Ford T, появившаяся в 1908 году, имела четырехцилиндровый мотор, с чугунной головкой блока, нижними клапанами, чугунными поршнями и блоком цилиндров – опять же из чугуна. Объем мотора был вполне «взрослый» по тем временам, 2,9 литра, а мощность в 20 л.с. еще долго считали вполне достойным показателем.
Более дорогие и сложные конструкции в те годы щеголяли раздельными цилиндрами и картером, к которому они крепились. Головки цилиндров часто были индивидуальными, и вся конструкция из головки цилиндра и самого цилиндра крепилась к картеру шпильками. После появления тенденции к укрупнению узлов картер часто оставался отдельной деталью, но блоки по два-три цилиндра все еще были съемными.
В чем смысл разделения цилиндров?
Конструкция с отдельными съемными цилиндрами выглядит сейчас несколько необычно, но до Второй мировой войны, несмотря на нововведения Генри Форда, это была одна из наиболее распространенных схем. У авиационных моторов и двигателей воздушного охлаждения она сохранилась и поныне. А у «воздушного оппозитника» Porsche 911 series 993 вплоть до 1998 года никакого блока цилиндров не было. Так зачем же разделять цилиндры? Цилиндр в виде отдельной детали – штука вообще-то достаточно удобная. Его можно сделать из стали или любого другого подходящего материала, например, бронзы или чугуна. Внутреннюю поверхность можно покрыть слоем хрома или никельсодержащих сплавов, при необходимости сделав ее очень твердой. А снаружи нарастить развитую рубашку для воздушного охлаждения. Механическая обработка сравнительно компактного узла будет точной даже на достаточно простых станках, а при хорошем расчете крепления тепловые деформации будут минимальны. Можно сделать гальваническую обработку поверхности, благо деталь небольшая. Если у такого цилиндра появился износ или другие повреждения, то его можно снять с картера мотора и поставить новый.
Минусов тоже хватает. Помимо более высокой цены и высоких требований к качеству сборки моторов с раздельными цилиндрами серьезным недостатком является низкая жесткость такой конструкции. А значит – повышенные нагрузки и износ поршневой группы. Да и с водяным охлаждением сочетать «принцип раздельности» получается не очень удобно.
Рабочий объём — (рабочий объём цилиндров двигателя внутреннего сгорания) — важнейший конструктивный параметр (характеристика) двигателя внутреннего сгорания (ДВС), выражаемый в кубических сантиметрах (см³) или литрах (л), в США.
Рабочий объём двигателя в значительной степени определяет его мощность и другие рабочие параметры. Рабочий объём равен сумме рабочих объёмов всех цилиндров двигателя. В свою очередь, рабочий объём цилиндра определяется как произведение площади сечения цилиндра на длину рабочего хода поршня (от НМТ до ВМТ). По величине рабочего объёма бензиновые автомобильные двигатели делятся на : микролитражные (до 1,1 л); малолитражные (1.2-1.8л; среднелитражные (1.8-3.5 л) и крупнолитражные (свыше 3.5 л). У дизельных двигателей данный параметр отличается в большую сторону из-за меньшей удельной мощности а также многократно более крупных объёмов.
Уменьшение объëма цилиндров —
Борьба за экономичность моторов толкает автопроизводителей на внедрение в двигатели всевозможных систем, позволяющих снизить расход топлива. Один из наиболее очевидных способов уменьшить аппетит силового агрегата - отключение цилиндров при условии, что водителю не требуется максимальная мощность.
Впервые инженеры задумались об этом во второй половине двадцатого века, однако они столкнулись с неожиданным препятствием. Дело в том, что частичное отключение было возможно только на двигателях, имеющих шесть и более цилиндров, моторы с меньшим количеством цилиндров, при отключении хотя бы одного из них, начинали неравномерно работать.
В настоящее время система отключения цилиндров успешно применяется и на четырехцилиндровых моторах.
Существуют также специальные двигатели с устройством непосредственного (механического) изменения рабочего хода поршня, но они пока не вышли из опытно-экспериментальной стадии.
Конструкция блока цилиндров, его материалы и защитные покрытия цилиндров —
Если нет жёстких ограничений по массе (стационарный, судовой, тракторный двигатели) то материалом блока служит серый перлитный (реже ковкий) чугун. Если же требуется снижение массы (транспортные двигатели), то может быть оправдано применение лёгких алюминиевых или (реже) магниевых сплавов (для транспортных средств с рекуперацией энергии торможения, таких как гибридные автомобили, снижение массы меньше сказывается на расходе топлива). Наиболее важно максимальное облегчение блока цилиндров (и других деталей) для поршневых авиационных двигателей, тут экономически оправданы самые высоколегированные стали, лёгкие металлы, и композиты. При допустимой литровой массе 80-100 кг/л обычно применяют чугун.
Цилиндры работают в условиях переменных давлений в надпоршневой полости. Их внутренние стенки соприкасаются с пламенем и горячими газами, раскалёнными до температуры 1500—2500 °С. Средняя скорость скольжения поршневых колец по стенкам цилиндров автомобильных двигателей достигает 12—15 м/с, и более (гоночные). Поэтому материал, используемый для изготовления блока цилиндров, должен обладать большой механической прочностью, а сама конструкция стенок — достаточной жесткостью. Стенки цилиндров должны хорошо противостоять истиранию при ограниченной смазке и обладать общей высокой стойкостью против других возможных видов износа (абразивного, коррозионного и некоторых разновидностей эрозии), уменьшающих срок службы цилиндров. Ко всему этому, материалы, применяемые для изготовления цилиндров, должны обладать хорошими литейными свойствами и легко обрабатываться на станках. Блок, не обладающий необходимой прочностью, не только деформируется сам, но и деформирует такие дорогие детали двигателя как коленчатый или распределительный валы.
Во время отливки в блоке цилиндров изготавливаются каналы для прохода охлаждающей жидкости, омывающей гильзы цилиндров. Система таких каналов называется рубашкой охлаждения. Так же в блоке цилиндров методом сверления делаются масляные каналы, чаще называемые масляными магистралями, по которым масло от насоса системы смазки поступает ко всем трущимся деталям двигателя. Выходные отверстия сверлений масляных магистралей на наружной поверхности блока цилиндров имеют резьбовые заглушки или герметизируются другими способами.
При конструировании и изготовлении блока цилиндров конструкторам и технологам приходится постоянно находить компромисс между прочностью и весом блока цилиндров. Для снижения веса, без уменьшения прочности блок часто имеет множество рёбер жёсткости, особенно этим отличаются блоки цилиндров японских автомобилей.
Во время работы двигателя блок цилиндров подвергается значительным температурным и механическим нагрузкам. Давление расширяющихся рабочих газов давит на поршень и верхнюю стенку камеры сгорания, расположенную в головке блока цилиндров. От головки блока цилиндров, через элементы её крепления (болты или шпильки) усилие передаётся на блок цилиндров. А усилие от поршня, через детали кривошипно-шатунного механизма и постели подшипников коленчатого вала передаются на блок цилиндров с другой стороны. В результате воздействия этих противоположно направленных сил в блоке цилиндров возникают большие растягивающие напряжения. Блок цилиндров также испытывает изгибающие усилия.
Серый легированный чугун —
Блок цилиндров большинства двигателей отливается из серого легированного чугуна и далее подвергается механической обработке. В таком случае рабочей поверхностью зеркала цилиндра является чугун отливки. Отверстие цилиндра растачивается под установленный размер, а после окончательной механической обработки поверхность стенок имеет микроструктуру, позволяющую удерживать необходимое количество масла. Чугун, особенно легированный, обладает необходимой прочностью и низким коэффициентом трения в паре материалов «чугун – чугун» или «сталь – чугун», из которых изготавливаются поршневые кольца, и в паре материалов «алюминий – чугун» из которого изготавливаются поршни. При этом чугунные стенки цилиндров обладают высокой износостойкостью. Но иногда даже в чугунные блоки цилиндров, для увеличения износостойкости запрессовываются тонкостенные сухие гильзы из более износостойкого легированного чугуна.
Достоинством серого легированного чугуна выступает бюджетная стоимость материала. Ее удачно дополняют еще несколько не менее существенных плюсов, к числу которых относятся: технологичность в работе и удобство обработки; стабильность механических свойств, в том числе – под воздействием высоких температур; отменные демпфирующие характеристики материала; высокий уровень жесткости в сочетании с твердостью; возможность установки крепежа прямо в деталь; ремонтопригодность; стойкость к износу; совместимость с другими рабочими узлами двигателя, включая также изготавливаемые из чугуна. Единственным серьезным недостатком серого чугуна применительно к блоку цилиндров двигателя выступает значительная масса материала. Его плотность примерно в 2,7 раза больше альтернативных вариантов. Еще одним минусом становится относительно низкая теплопроводность, результатом чего становится более высокие требования к системе охлаждения. Чтобы компенсировать недостатки материала, в последние несколько лет активно используется так называемое лазерное отбеливание. Технология позволяет переплавить серый чугун в белый тонким слоем на поверхности. Таким образом удается дополнительно повысить твердость и увеличить срок службы детали.
Алюминиевый блок цилиндров —
Поэтому блок цилиндров двигателя многих современных автомобилей отливается из алюминиевого сплава. Алюминий, кроме малого веса не имеет никаких преимуществ перед чугуном, но при этом появляются новые трудности. Алюминиевые сплавы гораздо мягче чугуна, поэтому для обеспечения необходимой жёсткости блока приходится делать более толстыми несущие стенки блока и делать сложную систему рёбер жёсткости. Алюминий имеет более высокий коэффициент температурного расширения, поэтому приходится более строго контролировать зазоры между различными деталями двигателя. Поршни всех современных двигателей, для облегчения веса, изготавливаются чаще всего из алюминиевых сплавов. Но коэффициент трения в паре материалов «алюминий – алюминий» очень большой и алюминий обладает низкой износостойкостью. Поэтому поверхность цилиндров должна быть изготовлена не из алюминия, а из другого материала. В алюминиевых блоках тонкостенные чугунные гильзы из износостойкого чугуна вплавляются в алюминиевую отливку при изготовлении отливки блока. Но стенки цилиндров самых современных двигателей с алюминиевым блоком при помощи современных технологий могут быть покрыты гальваническим способом специальным износостойким металлом. Или при помощи самых современных технологий осуществляется поверхностное упрочнение стенок цилиндров. При отливке блока цилиндров специальные технологии повышают концентрацию кремния в поверхностном слое стенок цилиндров, далее при помощи химических реакций из поверхностного слоя стенок цилиндров удаляется алюминий. В результате этого упрочнения износостойкость стенок цилиндров превышает по этому показателю цилиндры, изготовленные из чугуна. Но в этом случае, для снижения коэффициента трения между алюминиевым блоком цилиндров и алюминиевыми поршнями, поршни покрываются тонким слоем железа. Отсутствие чугунных гильз значительно уменьшается вес блока цилиндров.
Магниевый блок цилиндров —
Блоки из магниевого сплава позволяют ещё больше снизить массу блока, чем применение алюминия. Наибольшая эффективность от этого достигается в мощных бензиновых моторах скоростных машин. Но магниевые литейные сплавы почти так же дороги, как и алюминиевые, сложнее технологически, а механические свойства магния несколько хуже (меньшая пластичность даёт снижение усталостной прочности против алюминиевых сплавов). Это позволяет получить выигрыш в весе в основном на узкоспециализированных спортивных моторах. Некоторое исключение — двигатель «Запорожца» с картером из авиационного магниевого сплава МЛ-5 (и отдельными чугунными цилиндрами), бензопила «Дружба-4». Твёрдость и коррозионная стойкость магниевых сплавов обычно уступает сплавам с преобладанием алюминия. В магниевый блок нельзя даже напрямую вворачивать стальной крепёж — только через алюминиевые ввёртыши, либо используя алюминиевые же болты. Однако, магниевые сплавы обладают очень высоким демпфированием, следовательно, такие двигатели работают тише.
Блоки из лёгких сплавов эстетичнее, и производят впечатление высокой культуры производства. И алюминиевые, и магниевые блоки при использовании залитых гильз или твёрдого покрытия (алюсил, никасил) имеют почти равные с поршнем коэффициенты расширения, потому монтажный зазор поршня может быть меньше. При нагреве двигателя с алюминиевым блоком стальной шатун удлиняется меньше, поэтому степень сжатия несколько уменьшается относительно холодного мотора, что также выгодное отличие.
Проводились эксперименты по созданию пластикового двигателя —
Пластиковый автомобильный двигатель был изобретен в конце 1970-х годов в результате исследований, проведенных Мэтью (Матти) Хольцбергом из компании Polimotor Research и его коллегами. С тех пор Хольцберг и другие специалисты постоянно работали в этой области.
Матти Хольцберг основал компанию Polimotor Research Inc. в 1979 году. Ее штаб-квартира располагалась в Фэйр-Лоун, Нью-Джерси. В 1980-х годах компания в сотрудничестве со своими поставщиками и спонсорами создавала и испытывала двигатели, состоящие на большую часть из полимеров.
Двигатель, предположительно созданный на основе серийных двигателей Cosworth BDA и YB, весил 168 фунтов (76 кг), что в два раза меньше веса его металлического аналога. К пластиковым деталям относились блок цилиндров, крышка распределительного вала, воздухозаборники, штоки впускных клапанов, юбки поршней и шатунные пальцы, шатуны, маслосъемные поршневые кольца, толкатели, фиксаторы клапанных пружин и шестерни привода ГРМ.
Технологии «покрытий» рабочих поверхностей алюминиевых блоков цилиндров —
Основной момент каждой концепции алюминиевых блоков цилиндров - точное определение профиля требований. Основной структурный элемент каждой концепции - рабочая поверхность цилиндра. Поскольку при применении обычных литейных алюминиевых материалов невозможно в достаточной степени реализовать свойства трения и износа, то подбирается подходящий метод для данного случая применения, оптимальный как по сроку службы рабочих поверхностей цилиндров, так и по изготовлению, а также экономически.
Nicasil(Никасил) — липофильный никелькремниевый сплав, получаемый методом электрофоретического осаждения и применяемый для защиты поверхности цилиндров в двигателях внутреннего сгорания. Название — акроним от НИкель, КАрбид и СИЛициум.
Никелевое покрытие на алюминиевых стенках цилиндров с напылением кристаллов карбида кремния, применялась ещё в 60-е — 70-е годы для двигателей дорогих спортивных автомобилей, в частности — используемых в Formula 1. Nikasil разработал немецкий производитель Mahle в 1967 году. Это покрытие используется при работе алюминиевых цилиндров и поршней, минимизируя их износ и трение. В отличие от других способов, в том числе применение чугунных гильз цилиндров, никасиловое покрытие позволяет изготавливать двигатели без гильз, что, в свою очередь, даёт возможность использовать большие диаметры цилиндров. Из современных двигателей такие блоки имели моторы М60 и М52 фирмы BMW, причём их продажи в некоторых странах сопровождались скандалом — «никасил» разрушался от реакции с некоторыми сортами топлива, содержащими повышенную концентрацию серы (что характерно, в частности, для некоторых регионов США и России). Главный же недостаток «никасила» — тонкое никелевое покрытие легко повреждается например при обрыве шатуна или прогаре поршня, и блок не подлежит восстановлению.
Alusil(Алюсил)
— При методе Алюсил весь блок цилиндров состоит из заэвтектического алюминиево-кремниевого сплава. Для такого заэвтектического сплава характерно повышенное содержание кремния; у наиболее часто применяемого Алюсил - сплава (AISi17Cu4Mg) содержание кремния - 17%. Этот сплав был создан Швейцером и Ференбахом и в дальнейшем совершенствовался компанией Kolbenschmidt. Сплав широко используется для создания безгильзовых блоков цилиндров двигателей внутреннего сгорания. При травлении алюсила на поверхности остаётся прочная плёнка кремния, это покрытие достаточно пористое для задерживания масла и в то же время износостойкое.
Locasil(Локасил)
— стандартный сплав для литья под давлением (напр., AISi9Cu3) обогащается локально кремнием в зоне рабочих поверхностей цилиндров. Это достигается благодаря высокопористым цилиндрическим фасонным частицам из кремния, которые вкладываются в литейную форму и при методе литья прессованием под высоким давлением заливаются в блок цилиндров. Находящийся под высоким давлением (900-1000 бар) алюминиевый сплав во время процесса литья продавливается (инфильтрируется) сквозь поры кремниевых фасонных частиц.
Сравнительно недавно немецкая фирма Kolbenschmidt разработала и технологию, при которой в обычный алюминиевый блок запрессовываются готовые алюминий-кремниевые гильзы, имеющие упрочненные стенки с повышенным (до 27 %) содержанием кремния (технология Locasil), — это позволяет снизить себестоимость и частично решает проблему ремонтопригодности.
Рабочие поверхности цилиндров, покрытые нитридом титана —
Сравнительно новый метод, не применяемый ещё в серийном производстве, представляет собой покрытие рабочих поверхностей цилиндров нитридом титана (TiN) или нитридом титана и алюминия (TiAIN). Для достижения нужной износостойкости хонингованные алюминиевые рабочие поверхности цилиндров покрываются PVD-методом «Physical Vapour Deposition» : физическое отделение газообразной фазы. Толщина покрытия относительно невелика, так что структура хонингования при покрытии остаётся. Сравнительно высокие затраты и недостаточная надёжность процесса стоят, однако, на пути широкого применения данного метода.
Рабочие поверхности цилиндров, покрытые никелем —
С целью достижения необходимой износостойкости рабочие поверхности цилиндров покрывались в прошлом в течение некоторого времени дисперсионным слоем никеля и карбида кремния : (Ni-SiC), который наносился гальваническим способом на тонко обработанную рабочую поверхность цилиндра. В качестве названий марок стали известными оба понятия - Galnikal и Nikasil. В слой интегрированы для улучшения износостойкости твёрдые фазы из карбида кремния (7-10 объёмных %). Величина зерна интегрированного карбида кремния - 1-3 рм. В качестве основного материала блока цилиндров применимы выгодные алюминиевые сплавы, такие, как Silumin (напр., AISi9Cu3). Покрытие никелем нашло применение, главным образом, в серийном производстве одноцилиндровых двигателей. Многоцилиндровые блоки, напротив, находят применение в серийном производстве только в единичных случаях.
Слои плазменного напыления на железной основе —
Данный метод применяется в серии уже несколько лет. При плазменном покрытии в плазменной горелке возбуждается электрическая дуга. Подводимый плазменный газ (водород или аргон) ионизируется до состояния плазмы и покидает сопло горелки с высокой скоростью. Посредством газаносителя материал покрытия (напр., в составе 50% легированной стали и 50% молибдена) в виде порошка наносится в плазменном луче с температурой 15000-20000° С. Материал покрытия расплавляется и в жидком состоянии напрыскивается со скоростью от 80 до 100 м/с на покрываемую поверхность. В плазменный напрыскиваемый слой из железа при необходимости могут быть дополнительно интегрированы керамические материалы. Процесс происходит при атмосферном давлении.
Полученная при плазменном покрытии толщина слоя составляет 0,18-0,22 мм. Покрытие обрабатывается окончательно хонингованием. Остающаяся после хонингования толщина слоя составляет приблизительно 0,11-0,13 мм.
Благодаря плазменному покрытию увеличивается срок службы двигателя, а благодаря меньшему потреблению горючего и масла уменьшаются вредные выбросы.
Лазерное легирование рабочих поверхностей цилиндров —
Лазерное легирование представляет собой дальнейший метод армирования кремнием рабочих поверхностей цилиндров. При лазерном легировании рабочая поверхность цилиндра изготовленного из стандартного алюминиево-кремниевого сплава (напр., AISi9Cu3) блока цилиндров с помощью вращающегося лазерного оптического устройства оплавляется и металлургически легируется параллельным подводом порошка (кремний и т.д.). Тем самым получают тонкий слой с очень тонко отделённой твёрдой фазой (в основном кремнием) в зоне внутренней поверхности цилиндра. Отверстия цилиндров после лазерного легирования должны ещё хонинговаться, и частицы кремния должны быть раскрыты. Раскрытие интегрированных кремниевых кристаллов целесообразно производится химическим травлением.
Гильзы —
Иногда в блок цилиндров вставляются съёмные гильзы, которые герметизируются в блоке цилиндров при помощи медных или резиновых прокладок. Съёмные гильзы имеют преимущество в том, что после предельного износа их можно заменить новыми, изготовленными или отремонтированными (расточенными под ремонтный размер) с высокой точностью в заводских условиях. Применение съёмных гильз упрощает ремонта двигателя. Но в последнее время такие гильзы применяются довольно редко, поскольку блоки цилиндров со вставными гильзами имеют некоторые, присущие им недостатки. При перегреве двигателя происходит разгерметизация посадки гильзы в блоке, в результате которой происходит утечка охлаждающей жидкости.
- Гильзы, непосредственно омываемые охлаждающей жидкостью, называются мокрыми.
- Гильзы, запрессованные в материал отливки блока, и не соприкасающиеся непосредственно с охлаждающей жидкостью называются сухими.
Наличие съёмных гильз —
Имеет свои плюсы и минусы. При этом всегда ускоряется ремонт, так как расточка заменяется на простую замену гильзы, нет необходимости в ремонтных размерах, меньше отклонения толщины цилиндра при изготовлении, упрощается отливка блока, есть возможность применить более качественный чугун в гильзах, чем в блоке из серого чугуна. Некоторые двигатели без гильз имеют вставку из качественного чугуна в верхней части цилиндра, как более дешёвое решение проблемы ресурса.
Однако, установка гильз удорожает и отчасти снижает надёжность (пропуск жидкости по нижнему уплотнению). Кроме того, такой блок всегда тяжелее, так как гильза работает на сжатие, а блок растягивается (более длинное силовое замыкание). При базировании гильзы сверху утяжеление уменьшается. Увеличивается и объём механической обработки. Иностранные дизели среднего размера чаще всего имеют базирование гильзы посередине, чтобы соответственно сократить высоту рубашки охлаждения и уменьшить утяжеление против варианта с нижним базированием. Съёмные гильзы имеют обычно от 2 до 3 уплотнительных колец, причём в иностранной практике нижнее кольцо часто является страховочным, и перед ним имеется сверление для выхода антифриза наружу. Если из сверления начинается течь — значит, верхние кольца потеряли упругость (перегрев), и двигателю нужен ремонт. Эта конструкция исключает попадание антифриза в масло с вероятным задиром коленвала, и потому очень удачна.
Мокрые гильзы из серого чугуна —
Данный вид конструкции находит на сегодняшний день лишь относительно редко применение в двигателях для легковых автомобилей. Причиной этого является различное поведение алюминиевого блока цилиндров и гильзы цилиндра из серого чугуна при тепловом расширении. Особенно это требует выдерживания жёстких полей допусков по длине гильзы цилиндра при изготовлении с тем, чтобы наверняка избежать проблем с уплотнением головки блока цилиндров.
Заливаемые гильзы цилиндров из серого чугуна —
Данная концепция объединяет в значительной степени весовые преимущества материала алюминия и отсутствие проблем свойств скольжения рабочих поверхностей цилиндров из серого чугуна. Изготовление производится, чаще всего, выгодным методом литья под давлением (конструкция Open-Deck). При изготовлении методом литья под давлением получаются сравнительно малые зазоры между гильзой и окружающим литьём, а также, в целом, хорошие показатели теплопроводности. Для обеспечения глухой посадки гильзы из серого чугуна в блоке применяются различные методы. Простейшим методом является изготовление с канавками по наружному диаметру (изобр. 2). Несмотря на применяемый метод литья под давлением, здесь могут быть, однако, проблемы с механическою связью и, тем самым, с глухой посадкой гильзы в блоке. Причиной этого являются оставшиеся между гильзой и алюминиевым блоком, хотя и очень маленькие, воздушные зазоры. Поэтому перешли к использованию так называемых гильз шероховатого литья (изобр. 3). Благодаря сильно изборождённой внешней наружной поверхности при заливке происходит истинное защемление гильзы материалом блока.
Дальнейшее улучшение - хотя и за счёт более высоких расходов - приносит альфинирование или плазменное покрытие гильз перед заливкой. При альфинировании гильзы покрываются вначале алюминием в ванне с чистым алюминием. Тем самым возникает особая внутренняя, металлургическая связь алюминия с гильзой из серого чугуна. При данном методе речь идёт об относительно высокозатратном методе подготовки литья. Поэтому перешли - когда это необходимо, - к тому, чтобы гильзы из серого чугуна вначале с наружной стороны сделать струйной обработкой шероховатыми, а затем покрыть напыляемым плазменным слоем из алюминия. В противоположность альфинированию, при плазменном покрытии всё же не возникает металлургической связи серого чугуна с алюминием.
Нанесённые таким способом на гильзы алюминиевые слои при заливке в блок цилиндров вновь немного оплавляются и лучше соединяются с материалом блока по сравнению с гильзами без алюминиевого покрытия. Проблемы связи, которые при известных условиях могли бы появиться, можно таким способом уменьшить или их избежать.
Крышки коренных подшипников коленчатого вала —
Ранее указывалось, что блок цилиндров является основой сборки двигателя. Внутри блока цилиндров расположены кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы, впрочем, газораспределительный механизм современного двигателя почти полностью расположен в головке блока цилиндров, а снаружи к блоку цилиндров крепятся различные вспомогательные механизмы. Но что объединяет все эти компоненты двигателя – их, в случае выявленной неисправности, во время ремонта можно заменить. Но в блоке цилиндров есть детали, которые ни при каких условиях заменять нельзя – это крышки коренных подшипников коленчатого вала. На заводе-изготовителе окончательная механическая обработка отверстий подшипников коленчатого вала производится за один проход режущего инструмента при установленных крышках коренных подшипников. Зазор и соосность в коренном подшипнике устанавливается с высокой точностью, поэтому никогда, ни при каких условиях не допускается установка на блок цилиндров крышек коренных подшипников от другого блока цилиндров. Также не допускается перестановка местами крышек одного блока, или установка крышек в другом направлении.
Условно крышки коренных подшипников можно разделить на три группы. К первой можно отнести индивидуальные крышки коренных подшипников. В этом случае каждый коренной подшипник имеет свою индивидуальную крышку. Например, стандартный рядный четырёхцилиндровый двигатель имеет пять коренных подшипников и каждый коренной подшипник имеет свою индивидуальную крышку. Большая часть автомобильных двигателей, и не только рядных четырёхцилиндровых, устроена именно по такому принципу.
Но в последнее время, в целях увеличения жёсткости блока цилиндров в зоне расположения коленчатого вала, стали применяться единые общие для всех коренных подшипников двигателя крышки блока цилиндров. Ко второй группе можно отнести единую крышку цилиндров, не являющуюся структурной единицей двигателя, устанавливаемую в масляном поддоне двигателя. В этом случае блок цилиндров имеет глубокую юбку картера, к которой снизу крепится масляный поддон.
В случае перепутывания крышек коренных подшипников может возникнуть необходимость расточки постелей — после просаживания крышек на необходимую величину 2-4 мм и тщательного базирования постели растачивают борштангой напроход. То же производят после проворота вкладышей, если блок дорог, и доступно хорошее станочное оборудование.
В случае срыва шпильки с резьбой из блока — высверливают обломыш (если он остался), затем нарезают увеличенную резьбу, и ввёртывают ремонтную шпильку. Такие неприятности чаще всего случаются в алюминиевых блоках. В случае повреждения газового стыка в блоке с сухой гильзой, поверхность шлифуют до устранения дефекта. При этом нужно контролировать выступание поршней над плоскостью при сборке — при превышении нормы поршни придётся подточить в размер, во избежание соударения с головкой. Ввиду разнообразия конструкций блоков, следует в общем случае полагаться на инструкцию по ремонту соответствующего двигателя.
Типы охлаждения двс —
Основные варианты — водяное и воздушное охлаждение. Масляное применяется для некоторых двигателей специальной конструкции с повышенным КПД, работающих на растительных маслах. Водяное охлаждение (антифриз) применяется чаще всего, позволяя большую свободу в месте расположения выхода горячего воздуха (включая использование его для отопления салона в зимнее время). Транспортные двигатели на машинах, движущихся с большой скоростью, легко рассеивают тепло в радиаторе, используя набегающий поток воздуха. Поскольку с увеличением отдаваемой двигателем мощности растёт и скорость обдува радиатора, характеристики эти согласованы.
- Воздушное охлаждение требует оребрения цилиндров, которые в таких двигателях почти всегда выполняются отдельными. Преимуществом является механическая простота и снижение массы, быстрый выход двигателя на рабочий тепловой режим. Однако усложняется задача поддержания оптимального теплового режима в широком интервале нагрузок и температуры поступающего воздуха. Кроме того, такой двигатель более шумен («звонок»), так как шум сгорания сквозь тонкие стенки гильзы передаёт вибрации на высокие рёбра охлаждения. Поэтому такой вариант охлаждения в автомобилях уже не популярен, но встречается в стационарных двигателях, культиваторах, газонокосилках, тракторах и мотоциклах; имел широчайшее применение в авиационных поршневых двигателях.
- При водяном охлаждении блок может иметь вставные гильзы либо изготовлен заодно, то есть отверстия расточены в самой отливке блока. Первый вариант чаще у малоразмерных, особенно рядных блоков. Водяные каналы могут идти последовательно от цилиндра к цилиндру (малоразмерные либо устаревшие модели), либо параллельно. В последнем случае распределение воды обеспечивается каналами в головке (головках) блока цилиндров.
Современные блоки имеют небольшую высоту рубашки охлаждения, 50-60 % длины гильзы, в отличие от старых конструкций. Это уменьшает объём жидкости (ускоряет прогрев), и вполне достаточно для поддержания теплового режима цилиндра (так как теплоотдача в нижней части гильзы сравнительно невелика).
Типы смазки —
Мотор с блоком цилиндров допускает четыре вида смазки – центральную, самотеком, индивидуальную под давлением и разбрызгиванием. Выбор подходящей определяется с учетом назначения транспортного средства или другой техники. Соответствующим образом подбираются места размещения масляных отверстий, их диаметр и способы сверления. Самым распространенным типом смазки на сегодняшний день считается индивидуальный под давлением. Который предусматривает подвод масла к каждой постели. На дизелях старой разработки до сих пор применяется центральная смазка.
По размещению резервуара для масла:
- С мокрым картером.
- С сухим картером.
Неисправности блока цилиндров —
При нормальной эксплуатации наблюдается постепенный износ поверхности цилиндров. Если блок цилиндров не имеет сменных гильз, то по достижении предельного размера его растачивают до следующего ремонтного размера, с установкой соответствующей поршневой. Можно на определённое время отодвинуть расточку установкой колец следующего ремонта с их подгонкой, но возможно, придётся смириться со стуком холодных поршней, и несколько повышенным расходом масла. Если же блок имеет сменные гильзы, то они подлежат замене с кольцами и (обычно) с поршнями.
Важное: при установке колец в не расточенный блок нужно выставлять зазор в замке не в верхней части, где износ больше, а в нижней. Проверять в неизношенном верхнем пояске необходимости нет, так как кольца его не достигают. Важно очистить этот поясок от нагара «нулёвкой» для облегчения монтажа колец.
Все остальные неисправности блока цилиндров вызваны неправильной эксплуатацией, либо заводским браком. При размораживании блока его рубашка снаружи трескается, и подлежит заварке аргоном (алюминиевый сплав), запайке латунью или заклейке эпоксидным клеем (чугунный блок). Возникшие трещины в неответственных местах могут завариваться (чугун — электродом с чёрным маркером, алюминий — сваркой аргоном), корродированные места под гильзы могут наплавляться и растачиваться.
Заводской брак может иметь две причины: конструкторские ошибки, приводящие к систематическим разрушениям (трещины) в большом проценте блоков, и брак на конвейере. Например, после отливки (но перед механической обработкой) заготовка должна пройти естественную или искусственную релаксацию напряжений. Когда в связи с реформами на АвтоВАЗ складской цикл хранения сократили, пошёл массовый брак (коробление) блоков после мехобработки. Поэтому пришлось вводить выдержку отливок при температуре для релаксации напряжений. Возможны такие виды брака как негерметичность рубашки (трещины, свищи), выходы дефектов на поверхность цилиндра, отклонения размеров, коробление. В части случаев такой заводской брак устраним.
Конфигурация двигателя внутреннего сгорания — это инженерный термин, обозначающий расположение главных компонентов поршневого двигателя внутреннего сгорания (ПДВС). Этими компонентами являются цилиндры и в особенности коленчатые валы, а также иногда распределительный вал.
Смотря по выбранной литровой массе (кг/л рабочего объёма), необходимых эксплуатационных характеристик, назначения, преемственности и технологичности изготовления конструкции при проектировании выбирают один из вариантов компоновки (расположения цилиндров), а также материал блока цилиндров.
Виды двигателей по конструкции подразделяются на рядные, V-образные, оппозитные, VR- и W-образные двигатели. Каждый из этих типов имеет свои уникальные характеристики и применяется в различных автомобилях. Особняком стоит только роторно-поршневой мотор.
По принципиальному устройству могут быть: с искровым зажиганием (бензиновые и газовые двигатели); с воспламенением от сжатия (дизельные и газодизельные двигатели), атмосферным (без наддува), с турбонаддувом, с приводным нагнетателем, воздушного или жидкостного охлаждения.
Классификация по взаимному расположению цилиндров —
Одноцилиндровый двигатель
Это сейчас одноцилиндровые моторы встретишь только на мопедах, малокубатурных мотоциклах, моторикшах и другой технике с приставкой «мото». А меж тем в 50-е и 60-е годы прошлого века подобными простейшими двигателями оснащалась львиная доля послевоенных микрокаров. Взять хотя бы британский Bond Minicar с мотором Villiers: да, пускай он трехколесный и тесный, но имеет капот, крышу, полноценный руль – минимальный набор удобств присутствует.
Рядные моторы
В рядных моторах все цилиндры расположены в один ряд. Это один из самых распространенных видов ДВС, который мы найдем под капотом большинства машин массового сегмента.
Подобный двигатель в принципе может обходиться без балансирных валов, но в случае необходимости повышения плавности работы для компенсации сил инерции второго порядка применяют пару балансирных валов, вращающихся в разные стороны и в два раза быстрее коленвала.
В подавляющем большинстве случаев вы встретите у машин рядную «четверку» (R4).
Это самая распространенная в масс-сегменте схема, которая хороша всем:
- простое обслуживание;
- ремонтопригодность;
- топливная экономичность;
- недорогое обслуживание;
- благоприятные условия работы кривошипно-шатунного механизма (КШМ)
- более равномерный износ
Главные недостатки рядных двигателей:
- повышенный габарит двигателя по длине
- повышенный габарит по высоте — иногда решается путём наклона двигателя.
- при большом количестве цилиндров коленчатые валы двигателей из-за большой длины испытывают значительные торсионные нагрузки
Рядный четырехцилиндровый двигатель появился в 1890 году. Его мощность была ничтожно мала (5 л. с. при 620 об/мин). Способ поднять мощность на тот момент уже был опробован, и заключался он в увеличении количества цилиндров, то есть, рабочего объема. Так появились шести-, восьми-, и даже двенадцатицилиндровые двигатели внутреннего сгорания.
Рядные двигатели в независимости от количества цилиндров устроены практически одинаково, и принцип их работы такой же, как и любого двигателя внутреннего сгорания. Цилиндры расположены в один ряд; поршни в цилиндрах движутся за счет сгорания топливной смеси и приводят в действии общий для всех цилиндров коленчатый вал. Головка блока для всех цилиндров одна.
Рядные двигатели могут быть сбалансированными и несбалансированными. Необходимость в балансировке двигателя обусловлена сложной формой коленвала и количеством цилиндров, предусмотренных конструкцией. Несбалансированность конструкции порождает сильную вибрацию, которая приводит к разрушению коленчатого вала. Шестицилиндровые двигатели сбалансированы лучше, чем четырехцилиндровые к несбалансированному. Поэтому к коленвалу четырехцилиндрового двигателя, при объеме свыше двух литров, могут быть добавлены дополнительные балансировочные (успокоительные) валы.
Рядная "четверка" может быть расположена под капотом как в продольном положении, так и в поперечном, в то время как агрегат с шестью расположенными в ряд цилиндрами поперек разместить практически невозможно.
Шестицилиндровые моторы наиболее сбалансированные. А вот 8, 4, 2, 3-цилиндровые нет, п.э. в них устанавливают балансировочные валы.
Рядный 8-цилиндровый двигатель
До Второй мировой войны рядные «восьмерки» были излюбленными двигателями американских премиум-марок (Packard, Duesenberg, Buick), но не меньшей популярностью в то время они пользовались и в Европе: именно с таким мотором Bugatti Type 35 выиграл более тысячи гонок по всему миру, именно с рядным 8-цилиндровым двигателем оригинальная Alfa Romeo 8C блистала на Mille Miglia и 24 Часах Ле-Мана. Лебединой песней длинного мотора стал 1955 год, когда Хуан Мануэль Фанхио во второй раз стал чемпионом за рулем Mercedes W196. Однако в том же году произошла и знаменитая трагедия в Ле-Мане, когда Mercedes 300 SLR Пьера Левега (тоже с рядной «восьмеркой») унес жизни более 80 зрителей. После этого инцидента Mercedes ушел из автоспорта более чем на 30 лет
Рядный 12-цилиндровый двигатель
В своей книге «Иллюстрированная энциклопедия автомобилей мира» Дэвид Бергс Вайз утверждает, что единственным серийным автомобилем с 12-цилиндровым рядным двигателем была Corona, которая выпускалась во Франции в 1908 году. Однако это не значит, что затея не прельщала иные компании – например достоверно известно, что с подобным типом моторов экспериментировали в Packard. Ходовой экземпляр был построен в 1929 году, и Уоррен Паккард лично тестировал его на протяжении полугода... пока не погиб в авиакатастрофе. После его смерти роскошный кабриолет разобрали, а 150-сильный уникальный двигатель уничтожили..
Развитие принципа рядного двигателя —
В какой-то момент порог эффективного увеличения количества цилиндров рядного двигателя был достигнут, так как с дальнейшим увеличением их количества пришлось бы непомерно удлинять коленчатый вал, существенно увеличивая вероятность его поломки. Остановившись на 8 цилиндрах, разработчики задумались о других возможных конструкциях с единственным коленвалом небольшой длины. Результатом их усилий стало появление V-образных, оппозитных и иных типов двигателей.
Несколько самых легендарных примеров рядного двигателя на сегодняшний день включают:
• Наиболее известна своим применением Nissan Skyline GT-R, где двигатели получили название RB26DETT. Этот двигатель оснащен чугунным блоком с алюминиевой головкой и шестью отдельными дроссельными заслонками. Мощность была оценена в 316 лошадиных сил при 6 800 об / мин, хотя независимые испытания показали, что эти двигатели могут выдавать до 400 л.с. с завода на R34 Skyline GT-R.
• Toyota 2JZ-GTE - Двигатель Toyota 2JZ пользуется популярностью, благодаря своим возможностям. Стандартный двигатель, установленный в A80 Supra с турбонаддувом, развивает 320 лошадиных, но чугунный блок двигателя может выдержать гораздо больше, и нередко можно увидеть автомобили со стоковыми блоками, выдающими более 700 л.с.
• AMG M139 — это новейший двигатель и один из самых впечатляющих. В настоящее время рядный четырехцилиндровый двигатель Mercedes-AMG M139, выдает мощные 416 л.с. при 6750 об /мин. Такая выходная мощность делает его самым мощным 2,0-литровым двигателем в мире.
История создания и перспективы применения U-образных двигателей
В погоне за уменьшением длины многоцилиндровых двигателей конструкторы не обошли стороной еще одну интересную идею, результатом реализации которой в 30-х годах прошлого столетия появился U-образный двигатель.
Суть идеи заключалась в том, чтобы цилиндры двигателя поделить пополам, и расположить их в блоке параллельно, а не под углом (как у V-образных, VR-образных и W-образных двигателей), связав каждый ряд цилиндров с отдельным коленчатым валом и соединив эти два вала зубчатой, ременной или цепной передачей. Крутящий момент при этом может сниматься с любого из коленчатых валов и использоваться для выполнения двигателем механической работы.
Такая необычная компоновка имеет определенные достоинства – блок двигателя проще изготовить, чем при «разваленных цилиндрах», над цилиндрами можно использовать одну общую головку блока, да и силы инерции первого порядка, вызывающие тряску двигателя, уравновесить легче подбором правильной последовательности работы цилиндров. Еще одно достоинство – такой двигатель самостоятельно уравновешивает силы инерции второго порядка (закручивающие двигатель при работе в сторону, противоположную вращению коленвала), поскольку два его вала вращаются в разные стороны.
Тем не менее, широкого распространения ни в период рождения, ни в настоящее время на автомобильном транспорте U-образный двигатель не получил. Пока известно о единичных случаях применения такого двигателя на французских гоночных автомобилях «Bugatti» в 30-х годах прошлого столетия.
К таким «счастливцам» относится, например, автокар «Bugatti Type 45», изготовленный в 1930 году (см. рисунок внизу страницы). Вместо одного рядного 8-цилиндрового двигателя автомобиль оснащался двумя такими блоками цилиндров общим объёмом 3982 см3. Каждый из двух агрегатов имел свой коленчатый вал, восемь выхлопных коллекторов, головку блока с тремя клапанами на цилиндр, карбюратор и нагнетатель Рутса. Двигатель развивал максимальную мощность в 125 л. с. при 5000 об/мин. Автомобиль развивал скорость до 240 км/ч.
Как утверждают специалисты, конструкция двигателя получилась ненадежной, чрезмерно массивной, и в дальнейшем инженеры «Bugatti» отказались от ее использования. После этого U-образный двигатель никто из автопроизводителей не использовал (по крайней мере, о таких случаях неизвестно).
Так или иначе, конструкция существует, она вполне жизнеспособна, и, возможно, инженеры о ней еще вспомнят.
V образный двигатель —
Одним из самых известных и любимых решений для укладки нескольких цилиндров остается V-образный двигатель. Автомобили с V-образным двигателем завоевали сердца и умы многих людей на протяжении десятилетий, особенно автомобили с двигателями V10 и V12. Автомобили, оснащенные таким типом двигателя, известны тем, что обеспечивают плавную и надежную передачу мощности, и он остается популярным выбором во многих популярных автомобилях по всей территории США.
Как работает V-образный двигатель —
V-образные двигатели размещают свои поршни в форме буквы "V", отсюда и название. Такие двигатели обычно размещают поршни в диапазоне от 60 до 90 градусов. V-образная ориентация двигателя обычно представлена в формате V4, хотя двигатели V2 можно найти и у мотоциклов. Нечетные номера также приветствуются, наиболее распространенным из них является двигатель V5.
V-образные двигатели обожают за их низкий крутящий момент и плавность хода, а двигатель V12 не только обеспечивает хорошие показатели мощности, но и обеспечивает идеальный баланс.
В автомобиле с V-образным двигателем два цилиндра из противоположных рядов обычно имеют общую шатунную шейку, но шарнирные шатуны и отдельные шатуны также использовались. Возможно, самым важным преимуществом V-образных двигателей является их компактность по сравнению с рядными двигателями и приятный звук, который они издают.
Преимущества и недостатки V-образного двигателя —
Как и у любого другого двигателя, у V-образного двигателя есть свои плюсы и минусы. Хотя такие двигатели, как V8, доказали свою надежность, следует учитывать некоторые негативные факторы-
Плюсы и минусы:
+ Распространенность V-образных двигателей;
+ V-образные двигатели более компактны, чем рядные двигатели;
+ Плавная подача мощности;
+ Хорошая выходная мощность.
- Сложное производство двигателей;
- Проблемы с балансировкой;
- V-образные двигатели дороже;
- Не экономичная компоновка двигателя;
- Дорогостоящее техническое обслуживание.
Популярные компоновки V-образных двигателей —
Двигатель V2
Гордость Harley-Davidson, в отличие от рядных или оппозитных 2-цилиндровых моторов, в легковушках не прижилась – слишком большие от них вибрации. V-образные двигатели с двумя «горшками» встречаются только на разнообразной экзотике, вроде трехколесных «Морганов» 30-х годов, а также некоторых кей-карах раннего послевоенного периода. Один из примеров – Mazda R360 с миниатюрным V2 воздушного охлаждения. Позднее на ее базе появились коммерческие автомобили B360/B600 – тоже с V-образными «двойками».
Двигатель V3
Трехцилиндровые V-образные моторы на автомобилях не встречаются (только на мотоциклах, да и то редко), зато V-образные «четверки» – вполне. Правда, по популярности они проигрывают и рядным, и оппозитным двигателям с таким же количеством цилиндров. Встретить эту диковинную в наши дни силовую установку можно, например, на «Запорожцах», ЛуАЗах, некоторых ранних версиях Ford Transit, а также спорткарах вроде Saab Sonnet или, на секундочку, триумфаторе Ле-Мана Porsche 919 hybrid.
Двигатель V4
Первые автомобильные двигатели V4 использовались в гонках Гран-при (позже получивших название "Формула-1"). Один из первых двигателей V4 был установлен в 1898 году в автомобиле Mors с задним расположением двигателя, произведенном во Франции. В то время отсутствие вибрации, создаваемой двигателем V4, было основным преимуществом при продаже автомобиля. Однако к 1901 году двигатель V4 в автомобиле был заменен обычным рядным четырехцилиндровым двигателем.
«Запорожец» ЗАЗ-965 выпускался с 1960 по 1994 год и представлял собой советский автомобиль городского типа с задним расположением двигателя V4. Этот двигатель был основан на конструкции, использовавшейся в военной амфибии ЛуАЗ-967. Он имел воздушное охлаждение с магниевым блоком и выпускался с рабочим объемом 0,7–1,2 л
Двигатель V5
Сейчас рядные пятицилиндровые двигатели испытывают свое второе рождение: нынче их можно найти не только в немолодых Audi 200/Quattro 80-х годов, но и более чем современной Audi TT-RS. А вот до возрождения V-образной «пятерки» руки инженеров пока не дошли. В 90-е годы до этой необычной схемы додумались инженеры из Volkswagen, отпилив один цилиндр от двигателя VR6 – формально, фольксвагеновский V5 является именно VR5, так как головка цилиндров у мотора с небольшим развалом этих самых цилиндров только одна. Обладающий приятным голосом V5 устанавливался на многие модели концерна Volkswagen конца 90-х годов: VW Golf, Bora, Passat, а также Seat Toledo.
Двигатель V6
Является наиболее распространенной компоновкой двигателя для шестицилиндровых двигателей. Из-за своей короткой длины двигатели V6 являются хорошей модернизацией для небольших моторных отсеков, где обычно устанавливаются рядные двигатели с четырьмя рядами. К сожалению, двигатели V6 не так сбалансированы, как их рядные шестицилиндровые аналоги, и, следовательно, не так плавны в эксплуатации.
Двигатель V8
Один из самых известных и любимых компоновок двигателей всех времен. Двигатель V8 оснащен четырьмя цилиндрами на каждом блоке и был впервые выпущен в 1904 году для использования в авиации.
В большинстве двигателей V8 используется угол наклона 90 градусов и поперечный коленчатый вал. Двигатель V8 используется как в автомобильной промышленности, самолетах, так и на лодках благодаря своей высокой производительности и надежности.
Двигатель V10
Гораздо менее распространенная конфигурация, первая дорожная версия появилась в 1991 году на Dodge Viper. Из-за неравномерного количества цилиндров с обеих сторон двигатель V10 не имеет идеального баланса и, следовательно, требует балансировочных валов для снижения вибрации.
Двигатель V12
Занимает особое место в сердцах автомобильных энтузиастов по всему миру и пользуются большим успехом в лодочной и локомотивной промышленности. Двигатели V12 ценятся за их сбалансированность и плавность хода. Для идеальной балансировки четырехтактных двигателей V12 требуется угол наклона 60 градусов. В любой момент времени три цилиндра находятся в рабочем такте, что исключает любые паузы в импульсах мощности двигателя.
Оппозитный двигатель —
Оппозитные моторы, также известные как «боксеры», уникальны по компоновке. Цилиндры в таких ДВС расположены друг напротив друга. Угол между рядами цилиндров составляет 180 градусов, а противостоящие поршни двигаются зеркально по отношению друг к другу (одновременно достигают верхней мёртвой точки).
Из достоинств «оппозитов»:
• низкий центр тяжести, что улучшает управляемость и устойчивость автомобиля;
• низкая шумо- и вибронагруженность.
Последнее доступно благодаря взаимной компенсации движения поршней. Плюс, конструкция компактна и легка. Это хорошо сказывается как на компоновке, так и на управляемости.
Но есть и недостатки: обслуживание оппозитных двигателей сложнее и дороже по сравнению с другими типами двигателей. Сюда же и сложности ремонта: из-за уникальной конструкции оппозитных двигателей их ремонт требует специализированных навыков и инструментов. Именно поэтому «боксеры» – удел недешевых и редких автомобилей вроде спорткаров Subaru BRZ и Porsche 911.
OPOC —
Так называется техническая концепция фирмы EcoMotors, основанной в 2008 году. Аббревиатура расшифровывается как «opposed-piston opposed-cylinder». В переводе это звучит как «оппозитные поршни и оппозитные цилиндры». С первого взгляда это определение можно применить к тому же «боксеру». Тем не менее, OPOC предполагает совершенно иную конструкцию. Во-первых, силовая установка работает за счет двухтактного цикла, а не четырехтактного. Во-вторых, в каждом из цилиндров одновременно двигаются два поршня. Получается, что в двигателе такого типа количество поршней равно удвоенному количеству цилиндров.
Одним из представителей уникальных оппозитных моторов стал советский 5ТДФ разработки 50-х годов.
Двигатель проектировался как танковый, способный работать на различных видах топлива низкого качества, включая бензин, дизель, керосин и даже авиационное топливо. Общая конструкция 5ТДФ представляет собой «реверсивный боксер». То есть, находящиеся друг напротив друга поршни все так же взаимосимметричны, но каждый из двух рядов поршней имеет свой коленвал. Иллюстрация ниже показывает, как это выглядит.
Н-образный двигатель —
H-образный двигатель можно рассматривать как два оппозитных двигателя, расположенных один сверху другого или один рядом с другим, у каждого из которых есть свои собственные коленчатые валы, которые затем соединяются с одного конца.
H-образная конфигурация позволяет создать многоцилиндровые двигатели, которые короче, чем другие варианты, что предоставляет преимущества на воздушных судах. Для гоночных автомобилей данная схема представляет собой недостаток не только из-за высокого центра тяжести из-за расположения одного коленчатого вала над другими, но также и потому, что двигатель сам должен располагаться достаточно высоко от земли, чтобы обеспечить просвет под выхлопные трубы. В плане отношения мощности к весу данная схема также хуже, чем двигатель простой конфигурации, использующий один коленчатый вал.
- В 1971 году двигатель подобной конструкции ставился на ВАЗ 21019,но в серию не пошел.
VR-образный двигатель —
Компоновочная схема поршневого двигателя внутреннего сгорания, при которой цилиндры двигателя расположены двумя рядами под таким небольшим углом друг к другу, который позволяет иметь им одну общую головку цилиндров на весь двигатель, как в случае двигателя рядной компоновки. Какое-либо пространство между цилиндрами обоих рядов здесь отсутствует, а верхняя граница обоих рядов цилиндров лежит в одной общей плоскости. Может иметь любое число цилиндров от 3- и выше.
Фантазии конструкторов двигателей, воистину, безграничны. Стоило только Г. Даймлеру в 1889 году применить на своих моторах V-образную компоновку двигателя внутреннего сгорания, позволяющую существенно уменьшить длину двигателя, как дотошным инженерам итальянской автомобилестроительной компании «Lancia» что-то в такой компоновке не понравилось, и они решили усовершенствовать принципиальную компоновочную схему такого двигателя.
Рядно-смещённая компоновка, которая обозначается буквами «VR», зародилась в 1920-е годы, когда компания Lancia наладила выпуск семейства V-образных моторов с очень маленьким углом развала цилиндров (всего 10-20°). На модели Lancia Fulvia V4 подобные моторы использовали до начала семидесятых годов. Отказ от такой компоновки был вызван прежде всего технологическими проблемами: сложностью отливки блока цилиндров, неравномерностью чередования вспышек и неудобной конструкцией распределителя зажигания, разным временем накопления для разных цилиндров и главным образом из-за чрезмерной вибрации, укротить которую оказалось не так-то просто.
Некоторое время спустя, о заброшенной итальянцами технологии вспомнили немцы из широко известной компании «Volkswagen», которые выкупили патент у итальянцев —
Лишь в 1991 году Volkswagen возродил рядно-смещённую схему, поскольку в то время немецкому концерну был необходим мощный шестицилиндровый мотор для поперечной установки на компактные модели Audi, Seat и Volkswagen. Традиционный V6 оказался для них излишне широким. Кстати, новые двигатели получили обозначение VR, и с тех пор это название стало официальным для рядно-смещённых агрегатов. «VR» — аббревиатура двух немецких слов, обозначающих V-образный и R-рядный, то есть «v-образно-рядный».
Двигатель, разработанный компанией Volkswagen представляет собой симбиоз V-образного двигателя с экстремально малым углом развала 15° и рядного двигателя. Его шесть цилиндров расположены V-образно под углом 15°, в отличие от традиционных V-образных двигателей, имеющих угол 60° или 90°. На моторах объёмом 3.6 литра (третье поколение) угол развала стал ещё меньше и составил 10.5 градусов. Поршни расположены в блоке в шахматном порядке. Совокупность достоинств обоих типов двигателей привела к тому, что двигатель VR6 стал настолько компактным, что позволил накрыть оба ряда цилиндров одной общей головкой, в отличие от обычного V-образного двигателя. В результате двигатель VR6 получился существенно меньше в длину, чем рядный 6 цилиндровый, и меньше по ширине, чем обычный V-образный 6-цилиндровый. Двигатель ставился с 1991 года на автомобили Volkswagen Passat, Corrado, Golf, Vento, Jetta, Sharan, Audi TT I/II, A3 II.
W-образный двигатель —
Конструкторы двигателей не остановились на создании V-образных и VR-образных двигателей, которые по задумке должны были, в первую очередь, уменьшить габариты двигателя, его длину и высоту. Очередной идеей изобретателей стало появление еще одного уникального типа двигателей, имеющей W-образную компоновку. Замысел заключался в том, чтобы поделить блок VR-образного двигателя на две части, и расположить их рядом под некоторым углом. Получался своеобразный «симбиоз» V-образного и VR-образного двигателей, который обладал определенными достоинствами в сравнении со своими прототипами.
Двигатель W благодаря Volkswagen A.G., стал признанной конфигурацией двигателя. Он получил известность в 2001 году с появлением двигателя W12, используемого Volkswagen, Audi и Bentley.
Как и более распространенный V-образный двигатель, его название связано с его внешним видом. Если смотреть спереди, двигатель имеет форму буквы W. В течение 2001 года двигатель W был доступен в 3, 6, 8 12 и 16-цилиндровых конфигурациях. Самым большим в истории был W30, который использовался в танке "Шерман" во время Второй мировой войны.
Форма W обеспечивается тремя-четырьмя рядами цилиндров, использующих один и тот же коленчатый вал, по сути, образуя двойной V-образный двигатель.
Как упоминалось ранее, двигатель W получил свое название из-за расположения блока цилиндров, напоминающего букву W. За последнее время было несколько примеров использования трех или четырех блоков цилиндров. Тем не менее, VAG массово производит двигатели W-образного типа.
Самая известная конфигурация двигателя W — это нынешний W12, впервые представленный без турбокомпрессоров в 2001 году. VW сконструировал этот двигатель с использованием двух двигателей VR6, установленных под углом 72 градуса. Оригинальный W12, впервые использованный в концепт-каре, затем использовался в Audi A8 2001 года. Спецификации оригинала были следующими:
• Без наддува;
• 5 999 куб. см или 6,0 литров;
• 414 лошадиных сил.
Иногда можно встретить схему трехрядного W-образного двигателя, при которой в развале между цилиндрами, расположенными V-образно, вертикально располагается еще один ряд цилиндров (Рис. 2, а). Такая компоновка несколько уступает рассмотренной выше по габаритной высоте, кроме того, требует использования трех головок блока цилиндров. Тем не менее, она вполне может использоваться на практике, особенно для двигателей с упрощенным механизмом газораспределения (ГРМ).
W -типы двигателей и количество цилиндров
На протяжении многих лет предпринимались многочисленные попытки создать двигатель W-типа для автомобилей, большинство из которых были безуспешными. Тремя наиболее распространенными версиями являются W8, W12 и W16.
W12 - самый известный, используется в продуктах Volkswagen, Audi и Bentley, как упоминалось выше, но он не был таким уж ошеломляющим. Стандартный 4,2-литровый V8 Audi S8 был быстрее. Концепт начал набирать обороты только после того, как был установлен в передней части Bentley Continental GT. Bentley добавил два турбонагнетателя, увеличив мощность до 552 л.с.
Самым потрясающим и постоянным применением был двигатель W16, используемый в Bugatti Veyron. В своем самом мощном текущем формате этот двигатель развивает 1578 л.с.
Преимущества и недостатки конфигурации W —
У конфигурации W есть одно существенное преимущество. Из-за структуры двигателя более компактный и легкий. Лучшим примером является Bugatti Chiron, который имеет 16 цилиндров в среднемоторной компоновке. Используя конфигурацию W, Bugatti может вместить 16 цилиндров в колесную базу того же размера, что и Lamborghini для двигателя V12.
С другой стороны, двигатель W более сложный и с ним сложнее работать. С точки зрения энтузиастов, W12 не так интересен, как высоконадежный V12. Возьмем Lamborghini Aventador в качестве примера. Суперкар оснащен атмосферным двигателем V12, который выдает 730 л.с, и вращается до 8500 оборотов в минуту. Двигатель W12 в текущем Continental GT Speed, который является конкурентом по количеству цилиндров, выдает более 600 л/c в диапазоне от 1350 до 6000 об / мин. Это делает его менее привлекательным для оборотов, и, хотя двигатель W12 обеспечивает приятный басовый рокот, он просто не может конкурировать с ревущим V12 при 8500 оборотах в минуту.
Благодаря компоновке двигатель необычайно сбалансирован и, следовательно, плавен. Это главная причина, по которой Bentley остается единственным производителем, использующим двигатель W12. Он обеспечивает большой крутящий момент на низком уровне и остается улучшенным до 6000 оборотов в минуту. Это делает его идеальным для использования в классе люкс.
Двигатель со встречным движением поршней —
с двумя блоками цилиндров, расположенных друг против друга с общей камерой сгорания и отдельными коленчатыми валами.
Двигатель со встречным движением поршней — конфигурация двухтактного или четырëхтактного двигателя внутреннего сгорания с расположением поршней в два ряда один напротив другого в общих цилиндрах таким образом, что поршни каждого цилиндра движутся навстречу друг другу и образуют общую камеру сгорания. Коленвалы механически синхронизированы, причем выпускной вал вращается с опережением относительно впускного на 15-22°, мощность отбирается либо с одного из них, либо с обоих (например, при приводе двух гребных винтов или двух фрикционов). Компоновка автоматически обеспечивает прямоточную продувку — самую совершенную для двухтактной машины и отсутствие газового стыка.
- Поршни встречаются (зазор при работе получается настолько минимальный, что они буквально касаются друг друга) в центре цилиндра. Там расположена верхняя мертвая точка (ВМТ) обоих поршней. Топливовоздушная смесь подается через отверстия по бокам цилиндра. Через них же, выпускаются отработавшиеся газы, толкаемые движением поршней. Поскольку эти двигатели двухтактные, они редко использовались в автомобильной промышленности, поскольку не соответствовали элементарным экологическим допускам и подходили только для дешевых автомобилей низшего класса в прошлом. Они много дымили, надрывно рычали, но ехали посредственно. К минусам также можно было отнести повышенный расход топлива и сложность конструкции с двумя кривошипами двухпоршневой системы. Это сделало конструкцию прошлых лет неоправданно дорогой и сложной в изготовлении по сравнению с небольшими компактными двухтактными моторами.
- Однако, со современными материалами и опытом доводки более чем столетней конструкции у подобных поршневых ДВС есть и неоспоримые преимущества. Так, прототипы дизельных двигателей с вертикально ориентированными цилиндрами от компании Achates Power имеют крайне высокую степень тепловой эффективности, от 40 до 50%, в основном за счет меньшей площади стенок цилиндров. При условии, что обычный четырехтактный дизельный мотор обладает лишь 35 процентной эффективностью, прибавка в 5 или даже 15% является значительной.Плюс к этому, конструкция облегчается и несколько упрощается за счет отсутствия головки блока цилиндров, коромысел распредвала, клапанов, пружин клапанов и т.д.У мотора также лучшее соотношение внутреннего диаметра цилиндра к ходу поршня, что позволяет совершать максимально большое количество полезной работы. Смешивание и возгорание смеси здесь происходит быстрее.
Двигатели с расположенными напротив друг друга горизонтально лежащими поршнями имеют два распространенных в мире названия. У нас их называют оппозитными моторами. На английский же манер их название звучит как «boxer engine», поскольку движение их противолежащих цилиндров напоминает боксерскую пробивку. Но на самом деле, не тому двигателю американцы дали «боксерское» название. Это силовые агрегаты со встречным движением поршней (ПДП, двигатель с противоположно-движущимися поршнями) или как их еще называют: противоположено-поршневые двигатели.
- Двигатели этой схемы двухтактные с турбонаддувом или с приводной воздуходувкой (приводной центробежный нагнетатель), иногда и с двухступенчатым наддувом (как у 10Д100) - первой ступенью выступают два турбонагнетателя, а второй - приводной центробежный нагнетатель. Применяются в авиации, на танках (5ТДФ — Т-64; Т-80УД; 6ТД-2 — Т-84; Leyland L60 — Chieftain), на тепловозах (ТЭ3 — 2Д100, 2ТЭ10 — 10Д100 — самые массовые серии в СССР) и как судовые двигатели средней мощности и вспомогательные.
Первый карбюраторный четырехтактный ПДП-двигатель с одним коленвалом и штанговым приводом поршней верхнего ряда был серийно выпущен французской компанией Gobron-Brillié в 1900 году. В 1903 году автомобиль Gobron Brillié с этим двигателем впервые достиг скорости 103 мили в час (165,727 километров в час). Такая конструкция, ввиду особенностей компоновки, не позволяла построить, допустим, шестицилиндровый двигатель. Однако, именно эта конструкция была принята за основу Юнкерсом при построении двигателей ЮМО-201 (копия Gobron-Brillié) и двухтактного ЮМО-203. В последнем Юнкерс помимо поршней верхнего ряда приводил от штанги ещё дополнительные квадратные продувочные поршни в дополнительном верхнем ряду цилиндров.
Двухтактный дизель с прямоточной продувкой с противоположно-движущимися поршнями с двумя коленвалами впервые был построен на Коломенском заводе. Конструктор, главный инженер Коломенского завода Раймонд Александрович Корейво, 6 ноября 1907 года запатентовал двигатель во Франции, потом демонстрировал его на международных выставках. После этих демонстраций аналогичные двигатели начал выпускать Юнкерс и, по чертежам Юнкерса, завод Нобеля. Поданная Корейво претензия даже не рассматривалась, так как этому помешал директор-распорядитель Коломенского завода А. Мещерский, не пожелавший ссориться с влиятельными иностранцами. В Советском Союзе дизели, построенные по такой схеме, стали использовать только после знакомства с немецкими авиационными дизелями Junkers Jumo 205. Как тепловозные адаптировались дизели Фэирбенкс-Морзе, попавшие в СССР на военных катерах, поставленных по ленд-лизу.
Двигатель M4+2 —
Двигатели M4+2 реализованы в двигателях Beare Head, содержащих два противоположно расположенных поршня в одном цилиндре. Один из поршней движется с частотой, равной половине частоты другого поршня. Основной функцией второго поршня является замена клапанного механизма обычного четырёхтактного двигателя.
Дельтообразный двигатель (Napier Deltic) — это британский двигатель со встречным движением поршней, бесклапанный, двухтактный дизельный двигатель с продувкой нагнетателем и тремя коленчатыми валами. Был изначально разработан в середине 1940-х годов для применения на морских судах, также устанавливался на железнодорожных локомотивах. Разработан и производился компанией Napier & Son.
Цилиндры были разделены на три блока, расположенных в форме треугольника. Блоки формировали стороны с картерами, расположенными в каждой из вершин треугольника. Термин «дельтообразный» происходит от названия греческой буквы дельта, так как в профиль двигатель соответствует треугольнику.
Звёздообразный, или радиальный двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, цилиндры которого расположены радиальными лучами вокруг одного коленчатого вала через равные углы. Звездообразный двигатель имеет небольшую длину и позволяет компактно размещать большое количество цилиндров. Нашёл широкое применение в авиации.
Главное отличие звездообразного двигателя от поршневых двигателей других типов заключается в конструкции кривошипно-шатунного механизма. Один шатун является главным (он похож на шатун обычного двигателя с рядным расположением цилиндров), остальные являются прицепными и крепятся к главному шатуну по его периферии (такой же принцип применяется в некоторых V-образных двигателях). Эксплуатационным недостатком любого звездообразного двигателя является возможность протекания масла в нижние цилиндры во время стоянки, в связи с чем требуется перед запуском двигателя убедиться в отсутствии масла в нижних цилиндрах. Запуск двигателя при наличии масла в нижних цилиндрах приводит к гидроудару и поломке кривошипно-шатунного механизма.
В зависимости от размеров и мощности двигателя, звездообразные двигатели могут за счёт удлинения коленчатого вала образовывать несколько звёзд-отсеков.
Четырёхтактные звездообразные моторы обычно имеют нечётное число цилиндров в отсеке — это позволяет давать искру в цилиндрах «через один». Например, в пятицилиндровом двигателе последовательность зажигания такова: 1, 3, 5, 2, 4, и обратно к цилиндру 1. Кроме того, это всегда обеспечивает зазор в один поршень между поршнем, находящимся в фазе сгорания, и поршнем, находящимся в фазе сжатия. Рабочий ход поршня непосредственно способствует сжатию следующего цилиндра для воспламенения, делая движение более равномерным. Возможна работа и с чётным количеством цилиндров (чаще всего — при расположении цилиндров в несколько рядов).
Ротативный двигатель — звездообразный двигатель воздушного охлаждения, основанный на вращении цилиндров (обычно представленных в нечетном количестве) вместе с картером и воздушным винтом вокруг неподвижного коленчатого вала, закреплённого на моторной раме. Первые в мире серийные авиационные ротативные двигатели разработали в 1908 году Луи Сеген и его брат Лоран Сеген из французской компании Гном (фр. Société des Moteurs Gnome, SMG). Подобные двигатели широко использовались во времена Первой мировой войны и Гражданской войны в России. На их протяжении ротативные двигатели превосходили по мощности на единицу массы двигатели водяного охлаждения, поэтому в истребителях и самолётах-разведчиках в основном использовались именно они.
Достоинства двс —
- малый вес — из-за отсутствия длинного коленчатого вала нет необходимости иметь массивные уравновешивающие маховики.
- уравновешенность;
- высокая удельная мощность;
- улучшенное охлаждение — двигатель с массивными вращающимися блоками создавал достаточное движение воздуха, обеспечивая своё собственное охлаждение даже во время стоянки самолета.
Недостатки двс —
- Ограничение роста крутящего момента и мощности, которая не превышала 100—130 л.с[2] (для двигателей с воздушным охлаждением). Препятствием роста служили:
- перегрев двигателя;
- трудности с увеличением размера и числа цилиндров;
- увеличение нагрузки от центробежных сил и гироскопического момента на картер при увеличении частоты вращения двигателя или компоновке второго ряда цилиндров;
- большие потери мощности на вращение оребрённых цилиндров.
- гироскопический эффект, затрудняющий маневрирование самолета.
- Очень большой расход масла. Связано с трудностью откачки масла из вращающегося картера
Конструктивно двигатель представлял собой звезду с нечетным количеством цилиндров (обычно 7 или 9) с последовательным воспламенением в цилиндрах через один для обеспечения повышенной плавности рабочего процесса. Двигатели с чётным количеством цилиндров, как правило имели схему двойной звезды.
Роторный двигатель (РД, РДВС, двигатель Ванкеля) — роторный двигатель внутреннего сгорания, конструкция которого разработана в 1957 году инженером компании NSU Вальтером Фройде. Ему же принадлежала идея этой конструкции. Двигатель разрабатывался в соавторстве с Феликсом Ванкелем, работавшим над другой конструкцией роторно-поршневого двигателя.
Особенность двигателя — применение трёхгранного ротора (поршня), имеющего вид треугольника Рёло, вращающегося внутри цилиндра специального профиля, поверхность которого выполнена по эпитрохоиде (возможны и другие формы ротора и цилиндра
Установленный на валу ротор жёстко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестернёй — статором. Диаметр ротора намного превышает диаметр статора, несмотря на это ротор с зубчатым колесом обкатывается вокруг шестерни. Каждая из вершин трёхгранного ротора совершает движение по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре с помощью трёх радиальных уплотнений.
Такая конструкция позволяет осуществить любой 4-тактный цикл Дизеля, Стирлинга или Отто без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами. Отсутствие механизма газораспределения делает двигатель значительно проще четырёхтактного поршневого, а отсутствие сопряжения (картерное пространство, коленвал и шатуны) между отдельными рабочими камерами обеспечивают необычайную компактность и высокую удельную мощность. За один оборот эксцентрикового вала двигатель выполняет один рабочий цикл, что эквивалентно работе двухтактного поршневого двигателя. За один оборот ротора эксцентриковый вал выполняет 3 оборота и 3 рабочих хода, что приводит к ошибочным сравнениям роторного двигателя с шестицилиндровым поршневым двигателем.
В поршневом двигателе (ПД) топливно-воздушный заряд, проходя в цилиндр через клапан на стадии впуска, приобретает высокую турбулентность, которая возрастает с ростом числа оборотов коленчатого вала, что благоприятно сказывается на полноте сгорания смеси. В РПД турбулентность ниже и в момент воспламенения, основной заряд смеси впереди по вращению ротора быстро сгорает, в то время как задняя часть рабочей полости остается не сгоревшей и выбрасывается в атмосферу. Этим объясняется в 6 — 8 раз более высокий процент выбросов в атмосферу несгоревших углеводородов, по сравнению с поршневыми двигателями.
Ещё одним отличием рабочего цикла РПД от рабочего цикла ПД является сдвиг момента максимального выделения тепла в камере сгорания на линию расширения после прохождения верхней мертвой точки. Поэтому максимальные температуры цикла, при одинаковой степени сжатия, у РПД ниже, а в фазе выпуска температура отработавших газов на 200—250 °С выше чем у поршневых двигателей. Это термодинамически невыгодно и приводит к дополнительному снижению КПД, но в то же время по этой причине выброс окиси азота у РПД на 20 % ниже, а при одинаковых степенях сжатия, РПД способен работать без детонации на топливе с октановым числом на 15 единиц меньше чем поршневой двигатель.
Широкого распространения роторные моторы так и не получили, потому что зарекомендовали себя, с одной стороны, как весьма эффективные и производительные, с другой стороны, – как агрегаты с крайне низким ресурсом. Порой от капремонта до капремонта может пройти не более 70 тыс. км. Приемлемо в случае с нишевыми спортивными авто, но совершенно неприемлемо для автомобилей повседневного применения, рассчитанных на долгую службу.
Наибольшее распространение роторные моторы получили в спорткарах Mazda – культовых RX-7 и RX-8. Хотя встречались и отечественные опыты: в свое время роторные двигатели пытались приспособить (небезуспешно) к автомобилям LADA.
Устранение недостатков РПД добиваются усложнением систем впрыска, созданием расслоения топливно-воздушной смеси в камере сгорания и т. п
Преимущества перед поршневыми двигателями:
- низкий уровень вибраций.
- высокие динамические характеристики.
- высокая удельная мощность (л. с./кг).
- меньшие в 1,5—2 раза габаритные размеры.
- меньшее число деталей (два-три десятка вместо нескольких сотен).
Недостатки:
- Соединение ротора с выходным валом через эксцентриковый механизм, являясь характерной особенностью РПД, вызывает давление между трущимися поверхностями, что в сочетании с высокой температурой приводит к дополнительному износу и нагреву двигателя. В связи с этим возникает повышенное требование к периодической замене масла. При правильной эксплуатации периодически производится капитальный ремонт, включающий в себя замену уплотнителей. Ресурс при правильной эксплуатации достаточно велик, но не заменённое вовремя масло неизбежно приводит к необратимым последствиям, и двигатель выходит из строя.
- Состояние уплотнителей. Площадь пятна контакта очень невелика, а перепад давления очень высокий. Следствием износа уплотнителей являются высокие утечки между камерами и, как следствие, падение КПД и токсичность выхлопа. Проблема быстрого износа уплотнителей на высокой скорости вращения вала была решена применением высоколегированной стали.
- Склонность к перегреву. Камера сгорания имеет линзовидную форму, то есть при маленьком объёме у неё относительно большая площадь. При температуре горения рабочей смеси основные потери энергии идут через излучение, интенсивность которого пропорциональна четвёртой степени температуры; с точки зрения снижения удельной поверхности и за счёт этого потерь теплоты идеальная форма камеры сгорания — сферическая. Лучистая энергия не только бесполезно покидает камеру сгорания, но и приводит к перегреву рабочего цилиндра.
- Меньшая экономичность на низких оборотах по сравнению с поршневыми ДВС. Устраняется отключением работы каждого n-го поршня, что также влечёт снижение температурной нагрузки.
- Высокие требования к геометрической точности изготовления деталей двигателя делают его сложным в производстве — требуется применение высокотехнологичного и высокоточного оборудования: станков, способных перемещать инструмент по сложной траектории эпитрохоидальной поверхности камеры объёмного вытеснения.
Если заинтересовало, подпишись, здесь будет море информации про мир авто. Я буду очень признателен)
Смотри канал так-же в телеграмм.
