Двигатели

Принято считать, что эпоха автомобилестроения началась как раз с того момента, когда силами двигателя внутреннего сгорания, в 1886 году, с места сдвинулась коляска Карла Бенца. Понятное дело, этот агрегат он смастерил не за ночь накануне, и все имеет свою предысторию.

Первым проектом современного мотора можно назвать идеи Христиана Гюйгенса. В качестве топлива он предлагал использовать порох. Денис Папен загоревшись этой идеей, попытался ее реализовать, но безрезультатно. А вот в 1860 году, французским инженером Жаном Ленуаром был сконструирован двигатель, преобразующий выделяющуюся при сгорании топлива тепловую энергию  в механическую. Мотор работал на газовом топливе, но был несовершенен.

В 1876 году немецкий инженер Август Отто запатентовал первый 4-тактный двигатель внутреннего сгорания, работающий на бензине. В 1881-ом, шотландец Дугальд Кларк удачно опробовал свой 2-тактный двигатель, использующий это же топливо. Одиннадцать лет спустя, в 1892 году, Рудольф Дизель запатентовал первый дизельный мотор.
Сегодня двигатели можно разделить по способу осуществления рабочего цикла, виду применяемого топлива, количеству цилиндров и их расположению, способу наполнения камер сгорания топливной смесью и многим другим параметрам.

Знакомство с двигателями начнем с азов, которыми являются описания рабочих циклов двигателя. Под циклом подразумевается совокупность последовательных и периодически повторяющихся процессов в цилиндре двигателя. Отдельный процесс, совершающийся за один ход поршня, принято называть тактом.

4-тактные двигатели
Тактами в таких двигателях являются впуск, сжатие, сгорание и расширение, выпуск.
Впуск – поршень опускается из верхней мертвой точки (положение поршня в цилиндре, соответствующее максимальному расстоянию между любой точкой поршня и осью вращения коленчатого вала, условное начальное положение которого – 0° поворота кривошипно-шатунного механизма – ВМТ) в нижнюю мертвую точку точки (нижнее положение поршня, движение ниже которого невозможно – НМТ). Одновременно с этим, кулачки распределительного вала открывают впускной клапан, через который всасывается топливовоздушная смесь.

Сжатие – поршень движется из нижней мертвой точки в верхнюю. Свойства газов, которым является воздух, таковы, что под действием давления они способны изменять свой объем и температуру (при сжатии нагреваются). В данном случае повышается температура топливовоздушной смеси.

Сгорание и расширение (рабочий ход поршня) – во время третьего такта, под действием  тепла (вследствие сгорания топливовоздушной смеси, воспламененной в конце второго такта) рабочая смесь расширяется и создает давление, благодаря которому поршень движется в обратном направлении – от ВМТ к НМТ. Так как расширенные газы совершают полезную работу, то этот такт называют еще рабочим ходом.

Выпуск – последний четвертый такт, во время которого происходит очистка цилиндра от сгоревших газов. В этом случае поршень перемещается от НМТ к ВМТ, вытесняя газы через выпускной клапан. 

В 1957 году, немецкий изобретатель Феликс Ванкель представил публике двигатель внутреннего сгорания, в котором отсутствовали кривошипно-шатунный механизм и коленчатый вал. Вместо него Ванкель установил треугольный поршень, который жестко сцепляется с неподвижной шестерней, обкатываясь вокруг нее при работе. Вращаясь, грани треугольного поршня, в зависимости от своего положения, "имитируют" разные объемы камеры сгорания. За один оборот, как и обычный 4-тактный двигатель, роторный двигатель осуществляет цикл, состоящий из тех же четырех тактов: впуск, сжатие, сгорание и расширение и выпуск.

Плюсом такого двигателя является его компактность (конструкция не нуждается в механизме газораспределения) и высокая мощность (с 1-го литра рабочего объема снимается порядка 140 л. с. На первый взгляд этот мотор хорош всем – большая мощность, компактные размеры, однако его шумность и расход топлива не позволяют этой конструкции использоваться массово.

2-тактные двигатели
Как видно из названия, рабочий цикл этого двигателя состоит всего из двух тактов, которыми являются сжатие и расширение. Однако параллельно с ними происходят и недостающие – впуск и выпуск.
Первый такт (всасывание и сжатие) – топливная смесь через впускной канал (вместе с маслом, так как картер не имеет смазки) попадает в картер коленчатого вала. Поршень движется из НМТ к ВМТ, перекрывая сначала продувочное окно, а затем выпускное. После закрытия выпускного окна начинается процесс сжатия ранее поступившей в цилиндр топливной смеси. Поднимаясь вверх, под поршнем создается разряжение воздуха, и новая топливная смесь снова поступает в кривошипную камеру.

Второй такт (рабочий ход поршня и выпуск). При положении около ВМТ сжатая топливная смесь воспламеняется, в результате чего, точно так же как и в 4-тактном двигателе, при повышении температуры и под возросшим давлением газа поршень двигается вниз к НМТ, совершая полезную работу. Опускаясь вниз, поршень сжимает топливовоздушную смесь в кривошипной камере, под действием возникающего давления закрывается продувочный клапан, не позволяя смеси вернуться во впускной коллектор. Выпуск отработанных газов происходит в том момент, когда поршень доходит до выпускного окна. При дальнейшем движении поршня, открывается продувочное окно и смесь из кривошипной камеры поступает по каналу в цилиндр, заполняя камеру сгорания и вытесняя остатки отработанных газов.

Выигрыш такого двигателя перед 4-тактным – простота изготовления (отсутствуют сложные системы газораспределения и смазки), при одинаковом рабочем объеме имеет меньшие размер и массу, более мощный, так как топливная смесь поступает в цилиндр в два раза чаще. Однако там где плюс, там и минус. 2-тактники имеют меньший ресурс, употребляют больше топлива, сильнее загрязняют окружающую среду за счет масла, которое не задерживается в картере двигателя, а вместе с топливной смесью сгорает в цилиндре, а также более шумные.
Главным отличием бензин
овых моторов от дизельных является способ смесеобразования и воспламенения этой смеси. В дизельных моторах топливовоздушная смесь образуется во время впрыска топлива в цилиндр и воспламеняется под действием высокой температуры сжатия. В бензиновом двигателе, топливовоздушная смесь образуется снаружи и воспламеняется принудительно (свеча зажигания).

Но более подробно о способах образования топливной смеси и способах ее подачи в камеру сгорания, читайте в следующем выпуске "АвтоТема".