Двигатели: какие бывают и чем отличаются

Бензиновый или дизельный, атмосферный или наддувный, рядный или V-образный — Леонид Попов простым языком объясняет, какие вообще бывают автомобильные моторы, как они устроены и что на практике означают все эти различия.

Сердце автомобиля, заставляющее его двигаться вперёд. Большинство хотя бы в общих чертах представляют его работу. Но для тех, кто покупает свою первую машину и только погружается в тему, полезно рассмотреть основную классификацию моторов и их главные особенности. И начнём с базы — источника энергии. Им могут быть топливо и электричество.

В первом случае вы будете иметь дело с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), во втором — автомобиль будет приводиться в движение электромотором (или несколькими). Всё большее распространение получают гибриды (мы подробно разбирали их типы и особенности). Они одновременно используют и ДВС, и тяговый электродвигатель в том или ином сочетании. Соответственно, тратят топливо из бака и электричество, запасённое в тяговой батарее.

Если ДВС и трансмиссия, передающая тягу на ведущие колёса, соединены в один блок, то говорят о силовом агрегате (левый рисунок). В случае чистого электромобиля (правый рисунок) и гибрида (средний) обычно речь идёт о силовой установке. Она включает в себя электромотор или несколько электромоторов, узлы трансмиссии, аккумулятор, преобразователи тока (силовую электронику), блок управления, а для гибрида — ещё и ДВС. Для простой машины с одним только ДВС термин «силовая установка» будет означать не только двигатель с трансмиссией, но и все сопутствующие системы (топливная, охлаждения, выхлопная, управляющая электроника, стартерная батарея).

Бензин, дизель или газ

Наиболее распространены четырёхтактные поршневые ДВС, работающие на бензине, реже в современном мире встречаются легковые модели с дизельным мотором (соответственно, потребляющие дизельное топливо).

Ещё реже в автопарке и в предложениях автопроизводителей можно увидеть битопливные модели, рассчитанные на работу на бензине и газе. У таких машин имеются бензобак и баллоны для газа, две топливные системы для подачи в двигатель бензина и газа.

Газ же этот может быть сжатым природным (метан, также обозначается как компримированный природный газ, КПГ, Compressed natural gas, CNG) или сжиженным нефтяным (пропан-бутановая смесь, сжиженные углеводородные газы, СУГ, Liquefied Petroleum Gas, LPG). Если говорить о серийных легковушках на нашем рынке, то немногочисленные битопливные модели (например, Лады с индексом CNG) заправляются метаном. Газобаллонное оборудование (ГБО) под пропан-бутан в России автомобилисты, желающие перейти на газ, устанавливают уже после покупки автомобиля. А в мире такие версии машин (под LPG) выпускают и на заводском конвейере.

В качестве автомобильного топлива также иногда применяется сжиженный природный газ (СПГ, Liquefied Natural Gas, LNG), но не на легковых моделях, а на грузовых, например, на магистральных тягачах.

Электромобили, гибриды и легковушки на газе позволяют экономить на топливе.

Как вообще работает ДВС

В самом примитивном виде ДВС можно представить как набор из цилиндра, поршня, который движется в цилиндре, коленчатого вала, у которого есть кривошип (колено), шатуна, соединяющего кривошип с поршнем, и клапанов (впускной и выпускной), которые впускают в цилиндр свежую смесь и выпускают отработанные газы.

Кривошип и шатун преобразуют возвратно-поступательное движение поршня во вращение коленвала, а от него тяга уже уходит дальше, через детали трансмиссии на ведущие колёса. Такой двигатель работает по четырёхтактному циклу.

Первый. Движение поршня вниз, впускной клапан открыт, в цилиндр поступает воздух в смеси с топливом (или чистый воздух в случае дизеля). Следующие пол-оборота коленвала поршень движется вверх, оба клапана закрыты, смесь сжимается. Незадолго до достижения верхней мёртвой точки смесь поджигается искрой от свечи зажигания (в бензиновом моторе) либо подаётся дизтопливо и вспыхивает от сильно нагретого быстрым сжатием воздуха (в дизельном ДВС).

Ещё пол-оборота следует рабочий ход: продукты сгорания толкают поршень вниз, создавая на валу двигателя тягу. Последний, четвёртый, такт — выхлоп. Поршень движется вверх, открыт выпускной клапан, выхлопные газы уходят через выхлопную систему в атмосферу. Всё это мы разбирали в обзоре рабочего объёма (один из главных параметров ДВС).

Всё прочее — уже частности. Например, по-разному может быть выполнен газораспределительный механизм, отвечающий за движение клапанов (расположение распределительных валов и их число, способ их привода, детали их взаимодействия с самими клапанами). По-разному могут быть настроены и сами клапаны (моменты открытия и закрытия, так называемые фазы газораспределения). Двигатели могут отличаться по числу клапанов, а также по числу и расположению цилиндров. Свои особенности могут быть в подаче топлива, системе охлаждения и смазке. Но базовый принцип работы практически всегда один и тот же.

Атмосферный или наддувный

Помимо прочего, ДВС принято делить на атмосферные и ДВС с принудительной индукцией (наддувные). В первом случае воздух поступает в цилиндр свободно под действием разрежения в цилиндре (когда поршень идёт вниз) и атмосферного давления снаружи. Во втором случае воздух нагнетается в цилиндр под повышенным давлением.

Опять же, это лишь базовый принцип действия, а способы реализации наддува могут быть самыми разными. На рисунке сверху показан классический турбонаддув. Выхлопные газы, покидающие цилиндр, направляются на небольшую турбину и раскручивают её. На валу турбины с другой стороны установлено компрессорное колесо, которое сжимает поступающий в двигатель свежий воздух. Перед подачей в мотор тот ещё может проходить через теплообменник для снижения температуры (ведь при сжатии воздух нагревается).

Возможен наддув с помощью механического приводного компрессора, который приводится в действие от коленвала. Встречается и сочетание нескольких турбонаддувов или турбонаддува с механическим нагнетателем. Существуют также системы электрического наддува (компрессорное колесо раскручивается электромотором). И ещё бывает сочетание электронаддува с турбонаддувом.

Тут же можно упомянуть деление ДВС по способу подачи топлива (впрыск центральный, распределённый, непосредственный и комбинированный). А ещё по числу тактов: четыре или два. Только на автомобилях в настоящее время двухтактные моторы уже не встречаются (но использовались иногда в прошлом). Они есть в мире мотоциклов, квадроциклов, снегоходов и в подобной технике.

Цилиндровая математика

Состоящий из всего одного цилиндра ДВС — это тоже далёкое прошлое автомобилей. Подобные агрегаты можно встретить сейчас разве что в мотоциклах и квадрициклах. Два цилиндра — тоже канули в Лету. Тут можно вспомнить Оку или Citroen 2CV.

В современном мире серийных легковушек у ДВС будут 3, 4, 5, 6, 8 цилиндров, намного реже 10 или 12, а в виде суперкаровской экзотики — 16 (скажем, на Bugatti). Однако 4, 6 и 8 цилиндров — наиболее массовые варианты поршневых двигателей в автомобильном мире. Причём четырёхцилиндровые модели составляют более 50% всего мирового производства.

Располагаться цилиндры могут в ряд, в два ряда в виде буквы V или напротив друг друга (оппозитно). Более экзотические и почти не встречающиеся сейчас варианты: VR (как V, но с очень малым углом между двумя рядами) или W (три или четыре ряда цилиндров под очень небольшим углом друг к другу, с общим коленвалом, либо два VR, составленных вместе под небольшим углом). Ещё большая экзотика — это X-образные, H-образные и U-образные моторы, эксперименты с которыми автопром проводил в далёком прошлом.

Подавляющее большинство машин, которые сейчас ездят по дорогам и продаются у дилеров,  — это модели с рядными ДВС, с V-образными, плюс немного оппозитных (на Subaru и Porsche).

Дизель против бензина

Предложений новых дизельных легковушек на рынке намного меньше, чем в случае бензиновых моделей. Чтоб ориентироваться в них, стоит обратить внимание на ключевые моменты:

• дизельные агрегаты обычно экономичнее сравнимых по мощности бензиновых;

• дизели выгодно отличаются более высоким крутящим моментом, особенно в зоне низких оборотов, что полезно на бездорожье;

• дизельная модель часто оказывается дороже похожей бензиновой (при прочих равных условиях, вроде класса, мощности, оснащения);

• дизельные агрегаты в среднем дороже в ремонте и обслуживании;

• бензиновые двигатели, как правило, обладают меньшим уровнем шума и вибраций в сравнении с дизелями;

• бензиновый двигатель в среднем легче запустить в сильный мороз (но тут на практике будут сказываться многие другие факторы: конструкция конкретного двигателя, настройки его системы управления, параметры топлива и масла, состояние стартерного аккумулятора).

Экзотика, которую сейчас не встретишь

Роторно-поршневой двигатель (РПД) Ванкеля обладает длинной захватывающей историей. А сейчас на новых машинах его можно увидеть лишь у Мазды и лишь на одном из её гибридных автомобилей. Там РПД вращает генератор для пополнения запаса энергии в батарее. Возможно, Mazda ещё вернёт мотор Ванкеля в модель, в которой тот будет вращать ведущие колёса.

Проводились неоднократно опыты по установке на автомобильном транспорте газотурбинных двигателей, но серийного применения они так и не получили.

Не распространены в наших краях моторы, по компонентам системы питания и настройкам приспособленные к потреблению чистого этанола (E100) или бензоспиртовой смеси с высокой долей спирта (85%, так называемое топливо E85). Однако такие ДВС можно встретить в других странах. Заметим попутно, что обычные бензиновые ДВС нормально воспринимают горючее с добавкой порядка 5–10% этанола.

Другая экзотика для нас — водородные автомобили. Исторически инженеры применяли водород и как горючее в поршневом ДВС, и как топливо для электрохимических топливных элементов, которые вырабатывают ток для тягового электромотора. В мире сейчас серийно производятся легковушки второго типа (то есть с водородными топливными элементами). Есть они в линейке у «Тойоты», Hyundai и «Хонды». В России вы их едва ли увидите. Да и водородная заправочная инфраструктура у нас практически отсутствует. Но опыты с машинами на топливных элементах проводятся.

109