Классификация типов двигателей

Двигателям внутреннего сгорания присваиваются различные буквенно-цифровые коды, в зависимости от особенностей их конструкции. Помимо четырех-тактных бензиновых двигателей внутреннего сгорания в автомобилях применяются также дизельные и роторные двигатели.

Дизельный двигатель

Дизельный двигатель широко применяется в автомобилях повышенной грузоподъемности и стационарных силовых установках, которые работают обычно на постоянной скорости. Дизельный двигатель обладает высоким термическим КПД, поэтому отличается высокой экономичностью. В выхлопных газах дизельного двигателя содержится низкий процент углеводородов и окислов углерода. Такие характеристики делают его хорошей альтернативой поршневому бензиновому двигателю в автомобилях. По конструкции оба двигателя очень похожи. Дизельный двигатель тяжелей и дороже бензинового. У этих двигателей принципиально разные топливные системы и системы зажигания. В дизельном двигателе в камеру сгорания всасывается только воздух. Он сжимается поршнем во время такта сжатия до такой степени, что нагревается при этом до температуры примерно 1000°Ф (540°С). Когда поршень доходит до верхней мертвой точки, в камеру сгорания через топливную форсунку впрыскивается под давлением топливо. Под действием высокотемпературного сжатого воздуха топливо воспламеняется. Давление рабочего газа, образующегося в результате сгорания топлива, толкает поршень вниз, и он совершает рабочий такт. Коленчатый вал продолжает вращаться и заставляет поршень снова двигаться вверх, вытесняя отработавшие газы из камеры сгорания через выпускной клапан. Использование дизельного двигателя в легковых автомобилях сдерживается двумя факторами: высокой стоимостью двигателя и сложностью достижения очень низкой нормы окислов азота в выхлопных газах, регламентированной стандартами.

Рис. Рабочий цикл четырехтактного дизельного двигателя

Рис. Рабочий цикл двухтактного дизельного двигателя

Роторный двигатель

Вторым типом успешно реализованного альтернативного двигателя является роторный двигатель, называемый также по имени его изобретателя двигателем Ванкеля (Wankel). Единственный пример автомобиля с роторным двигателем, выпускаемого длительное время, — Mazda RX-7. Роторный двигатель обладает рядом преимуществ перед поршневым двигателем. Двигатель с вращающейся камерой сгорания работает ровно и обладает высокой удельной мощностью.

Поскольку конструкция двигателя обеспечивает большую охлаждающую поверхность камеры сгорания, он работает на низкооктановом бензине.

Принципиальной особенностью роторного двигателя является ротор, имеющий в поперечном сечении треугольную форму, который вращается в рабочей полости корпуса двигателя. Форма рабочей полости в плане представляет собой геометрическую фигуру, называемую двухлепестковой эпитрохоидой. Уплотнения на углах, или ребрах, ротора постоянно находятся в контакте с поверхностью полости, поэтому ротор должен совершать планетарное движение. Это означает, что центр ротора движется вокруг центра двигателя.

Рис. Рабочий цикл одной из камер сгорания роторного двигателя внутреннего сгорания

На рисунке показано планетарное движение ротора. При планетарном движении ротора между его гранями и стенками полости образуются расширяющиеся и сжимающиеся камеры. В расширяющуюся камеру через впускной канал засасывается топливно-воздушная смесь. На рисунке показан впускной канал в корпусе двигателя.

Рис. Роторный двигатель автомобиля Mazda (вид в разобранном состоянии)

Когда расширяющаяся камера достигает максимального объема, впускной канал отсекается от нее проходящим уплотнением ротора. Дальнейшее вращение ротора вызывает уменьшение объема камеры, в процессе которого происходит сжатие смеси. Искра свечи зажигания воспламеняет смесь. Высокое давление газов, образовавшихся при сгорании смеси, создает механический импульс, заставляющий ротор вращаться, расширяя камеру. Когда камера снова достигает максимального объема, одно из уплотнений на конце ротора минует выпускной канал, открывая его и позволяя отработавшим газам, находящимся под высоким давлением, покинуть камеру. Дальнейшее вращение ротора приводит к уменьшению объема камеры, в результате чего из нее выталкиваются остатки отработавших газов. На этом заканчивается рабочий цикл, аналогичный четырехтактному рабочему циклу поршневого двигателя. Ротор продолжает вращаться и рабочий цикл повторяется — начинается впуск новой порции смеси.

Помимо показанной на рисунке камеры сгорания, аналогичный рабочий цикл совершают еще две камеры сгорания, образуемые гранями ротора и стенкой рабочей камеры двигателя. В результате за один оборот ротора совершаются три последовательных рабочих цикла.

Энергия ротора заставляет вращаться эксцентриковый вал. Механизм действия этой кинематической схемы аналогичен механизму работы шатуна и коленчатого вала. За один оборот ротора эксцентриковый вал совершает три оборота. Таким образом, эксцентрик неизменно занимает правильную позицию, необходимую для восприятия каждого последующего импульсного момента вращения. Зубчатое колесо внутреннего зацепления, закрепленное на роторе, находится в зацеплении с зубчатым колесом внешнего зацепления, установленным на одном из торцов рабочей камеры двигателя. Назначение этой зубчатой передачи — поддерживать правильную синхронизацию ротора по отношению к эксцентрику и рабочей камере. Эти шестерни не участвуют в передаче крутящего момента (не испытывают нагрузки, создаваемой крутящим моментом).

Впускной и выпускной каналы в одних конструкциях двигателя проходят в стенке рабочей камеры, соприкасающейся с уплотнениями ротора, а в других — в ее торцевых стенках. Выемки в гранях ротора формируют камеры сгорания. Поскольку камера сгорания имеет достаточно большую длину, в некоторых конструкциях для быстрого, полного сгорания смеси используются две свечи зажигания. В этом случае требуются две отдельных системы зажигания.

Рис. При снятом роторе видна геометрическая форма рабочей камеры роторного двигателя (так называемая эпитрохоида). Плавность обводов рабочей камеры — свидетельство высокого класса технологии

Рис. Ротор со снятым уплотнением ребер