Как работает двигатель автомобиля?

Список автомобилей на водородном топливе

Существует ли автомобиль на водородном топливе? Да, причём их количество не такое уж и малое. Расскажу про самые популярные модели.

Honda Clarity

Автомобиль продавали в Японии и Калифорнии до 2014 года. Запас хода около 600 км, что больше, чем у любого электрокара. Заправляется Honda Clarity за считанные минуты.

Затем автоконцерн Honda выпустил конкурента Toyota Mirai, цена которого 72 тыс. долл. под названием Clarity Fuel Cell. На полной заправке можно было проехать до 700 км. Мотор имеет мощность 174 л.с. Автомобиль 5-местный.

Toyota Mirai

Это японский автомобиль, который создали после несколько десятков лет разработок. Автомобиль сначала выпустили для японского рынка, а затем и для американского.

Запас хода автомобиля на одной заправке 502 км, максимальная скорость – 178 км/ч., мощность – 153 л.с. В авто встроена система, которая видит препятствия и автоматически включает тормоз. В машине есть сенсорные экраны, при помощи которых осуществляется управление навигацией и микроклиматом.

Ford Airstream

Это гибридный автомобиль с электрическим мотором и водородными ячейками. Поэтому кроме водорода автомобиль может применять для движения аккумуляторы, которые подзаряжаются от водородных элементов.

На аккумуляторе Ford Airstream может проехать около 40 км (это половина заряда), а затем активируется водородное топливо. Запас хода чуть более 450 км, а максимальная скорость — 135 км/ч.

Mercedes-Benz GLC F-CELL

Это первый серийный автомобиль, который сочетает в себе аккумулятор и водородные топливные ячейки. На электричестве он может проехать 50 км, а на водороде – около 430 км. Отмечу, что аккумулятор можно зарядить от обычной электрической розетки.

Автомобиль можно использовать как в качестве электрокара на небольшие расстояния, так и в качестве водородного авто для длительных поездок.

Pininfarina H2 Speed

Это итальянский автомобиль, который способен разгоняться до 100 км/ч всего за 3,4 секунд. Максимально автомобиль может разгоняться до 299 км/ч. Запасы чистого водорода в баке – чуть более 6 кг. Кроме этого Pininfarina имеет мощный аккумулятор и электромоторы. Цена этого продвинутого автомобиля составляет 2,5 млн. долл.

BMW Hydrogen 7

Авто создано на базе стандартной BMW 7. Он работает как на бензине, так и на жидком водороде. В BMW Hydrogen 7 имеется бензиновый бак на 74 литра и большой водородный баллон весом целых 8 кг. Таким образом, максимальный запас хода в этой машине 780 км.

Автомобиль автоматически переключается между двумя типами топлива. Мощность двигателя на водороде – 228 л.с., а на бензине – больше на 32 л.с. Максимальная скорость 229 км/ч, разгон до 100 км/ч осуществляется чуть меньше, чем за 10 секунд.

Hyundai Nexo

Этот автомобильный концерн также стал одним из первых производить серийные водородные автомобили. Мощность двигателя Hyundai Nexo составляет 161 л.с., запас хода – 600 км. Разгоняется авто до 100 км/ч за 10 секунд. Цена автомобиля от 70 тыс. долл.

Grove Obsidian

Это водородный китайский автомобиль нового поколения, у которого запас хода составляет впечатляющие 1000 км. Он экономно расходует топливо за счёт облегчённого корпуса из углеродного материала и невысокому аэродинамическому сопротивлению. Заправка бака происходит всего за 3 минуты, а сам топливный бак очень прочен. А если бак будет повреждён, то водород из него вытечет в жидком виде и сгорит менее чем за 2 минуты.

Серийно автомобили станут выпускать с 2020 года, а к 2030 планируется создать 1 миллион экземпляров.

Другие авто

Ограниченно выпускают:

Audi A7 h-tron quattro;
Hyundai Tucson FCEV;
Mazda RX-8 Hydrogen RE;
Автобус Ford E-450;
Низкопольные автобусы MAN Lion City Bus.

Испытывают:

Focus FCV;
Honda FCX;
Nissan X-TRAIL FCV;
Toyota Highlander FCHV;
Volkswagen — space up!;
Mercedes-Benz A-Class и Mercedes-Benz Citaro;
Irisbus;
Toyota FCHV-BUS;
единичные модели в Чехии, Китае и Бразилии.

Классификация двигателей

Конструкция ДВС бывает различной. Каждый разработчик мотора пытается внести свои улучшения, повысить мощность и экономичность, снизить выбросы вредных веществ и стоимость агрегата. Давайте посмотрим, по каким критериям классифицируют двигатели внутреннего сгорания.

По рабочему циклу

Рабочий цикл ДВС — это последовательность процессов внутри каждого цилиндра, в результате которой энергия топлива превращается в механическую энергию. Цикл может быть двухтактным или четырехтактным:

четырёхтактный мотор работает по «циклу Отто» или Аткинсона и включает в себя такты: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск;
в двухтактном ДВС впуск и сжатие происходят одновременно за один такт, а рабочий ход переходит в выпуск на втором такте.

По типу конструкции

По конструкции ДВС делятся на:

поршневые, в которых расширяющиеся при сгорании газы приводят в движение поршень, который в свою очередь толкает коленвал;
роторные.Растущее давление газов воздействует на ротор, соединённый с корпусом через зубчатую передачу. Роторный мотор не имеет ГРМ. Его функции выполняют впускные и выпускные окна в боковых стенках корпуса;
газовые турбины. В этих двигателях внутреннего сгорания газы с высокой скоростью попадают на лопатки силовой турбины, которая соединяется через редуктор с трансмиссией. Для нагнетания воздуха в мотор установлен турбинный компрессор.

Моторы могут быть без наддува, с турбокомпрессором или нагнетателем. Конструкция подбирается под назначение двигателя: будь то стационарная установка или транспорт.

По количеству цилиндров

Одно цилиндровые двигатели работают неравномерно, что не критично для лодочных моторов, мопедов и мотоциклов. Двигатель автомобиля устроен сложнее, поскольку нужна высокая мощность, а значит и большой объём цилиндра. Так, в транспорте малого класса применяются 4-цилиндровые моторы. В грузовые автомобили ставят 6- и 8-цилиндровые ДВС.

По принципу создания рабочей смеси

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания различается способами смесеобразования:

внешнее: в карбюраторных моторах и в агрегатах с впрыском топлива во впускной коллектор;
внутреннее: в дизельных двигателях и бензиновых с непосредственным впрыском в камеру сгорания.

По расположению цилиндров

Поршневые двигатели автомобиля различаются компоновочной схемой блока цилиндров и могут представлять собой конструкцию:

рядную;
V-образную;
оппозитную с углом развала между поршнями 180°;
VR-образную;
W -образную.

В зависимости от компоновки моторы устанавливаются в подкапотное пространство вертикально, горизонтально или под углом к вертикальной плоскости для уменьшения высоты конструкции.

По типу топлива

Работа двигателя внутреннего сгорания происходит за счёт сжигания смеси воздуха с бензином, газа или дизеля. В качестве газового топлива ДВС применяются углеводород, сжиженный газ, смесь пропана и бутана, метан, водород.

По принципу работы ГРМ

Выше мы рассматривали, что ГРМ может быть устроен по схеме OHV, ОНС или DОНС. Выбор компоновки влияет на принцип работы двигателя. Также приводы клапанов различаются способами регулировки тепловых зазоров, которые увеличиваются в результате нагрева конструкции. Настройку зазоров проводят вручную, меняя специальные винты в коромыслах, или устанавливают гидрокомпенсаторы для автоматической регулировки.

Как работает паровой двигатель

Есть угольный костер, который нагревает воду до тех пор, пока она не закипит и не превратится в пар.

Пар проходит по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где он толкает поршень и приводит в движение колесо.

Затем входной клапан закрывается, и открывается выходной клапан.

Импульс колеса заставляет поршень вернуться в цилиндр, где он выталкивает охлажденный нежелательный пар через выход и дальше вверх по дымовой трубе (дымоходу).

Детали парового двигателя

Паровые двигатели, такие как у этого Локомотива, являются примерами двигателей внешнего сгорания.

Огонь, который и создаёт теплоту, пламя и является источником энергии (1), находится снаружи (вне) цилиндра, где тепловая энергия превращается в механическую энергию (3). Между ними есть котел (2), который превращает тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая поршень (4), который перемещает колеса с помощью кривошипа (5) и приводит в движение поезд (6). Пар и тепловая энергия постоянно выбрасываются из дымовой трубы (7), что делает этот способ особенно неэффективным и неудобным для питания движущейся машины.

Есть много проблем с паровыми двигателями, но вот четыре из них — наиболее очевидных.

Во-первых, котел, который производит пар, работает под высоким давлением, и существует риск, что он может взорваться (взрывы котлов были серьезной проблемой с очень ранними паровыми двигателями).

Взрыв парового котла паровоза

Во-вторых, котел обычно находится на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому энергия теряется по пути. Температура внутри кабины машиниста была как в бане – доходила до 100 градусов. Всё это тепло расходовалось, по сути, впустую.

В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, все еще достаточно горяч, поэтому он содержит потраченную энергию, которая никак не конвертировалась в механическую.

В-четвертых, поскольку пар выбрасывается из цилиндра каждый раз, когда поршень толкается вперед, двигатель должен потреблять огромное количество воды, а также топлива.

Технические достижения винтажной эры

Винтажная эра с характерным кузовом европейских автомобилей, ассоциирующимся у нас с благодатным Серебряным веком в культуре, сумела отличиться не только своеобразным дизайном машин. Для этого периода характерны технические находки и достижения. Нужно отметить, что именно в этот период был изобретен целый ряд передовых технологий. Разработчики активно работали над усовершенствованием двигателя внутреннего сгорания:

пользовались высоким спросом среди богатых клиентов новые разработки многоклапанных двигателей, в тот период в эксклюзивных авто устанавливались 8, 12 и 16 цилиндровые V-образные двигатели;
основатель «Локхид» Мальком Лоухед, предшествовавшей современной компании «Локхид Мартин», крупнейшего производителя в сфере ВПК в Европе, изобрел гидравлические тормоза в 1919 году. В 1921 году они были применены в модели А Форда;
1924 году для британской компании Вулкан Мотор Рейслер изобрел автоматическую трансмиссию, в которой была реализована двухступенчатая планетарная коробка передач, блокирующая муфта, преобразователь момента. Но данное изобретение не применялось, аналогичное решение появилось только в 1940 году;
примерно с 1920 года для остекления автомобилей начали использовать тонированные стекла.
передний привод в 1932-1934 появился сначала в автомобилях Алвиса и Корда, затем в Traction Avant компании Андре Ситроена. Время появление данного изобретения спорно, в специализированном гоночном секторе подобное техническое решение применялось в 1897 году;
независимая подвеска впервые появилась в 1873 г. (Amédée Bollée), но в массовом производстве была применена в Mercedes-Benz 380 в 1933 г.

Большинство технологий в автомобильной промышленности было изобретено до 1930 года, об этом явно говорит яркая история автомобилестроения в Европе. После Второй мировой войны количество изобретателей и автомобильных компаний резко сократилось. В наше время многие из изобретений были усовершенствованы. Автомобилестроение стало прерогативой избранных – от изобретений до производства.

К этой эпохе можно отнести ряд автомобилей:

1922 – 1939 Austin 7 – самая копируемая модель автомобиля, элементы были заимствованы практически всеми автомобильными компаниями;
1924 – 1929 Bugatti Type 35 – одна из самых успешных спортивных моделей за всю историю автомобилестроения, на ней было поставлено свыше 1000 побед в гонках за 5 лет;
1922 – 1931 Lancia Lambda – один из самых передовых автомобилей своего времени, был оснащен независимой подвеской и имел цельнометаллический несущий кузов;
1925 – 1928 Hanomag 2, одним из первых приобрел современную обтекаемую форму, без крыльев и подножек;
1927 – 1931 Ford Model A – модель, прославившая Генри Форда, всего было выпущено около 4 млн. таких автомобилей. В результате модель стала узнаваемый символом винтажной эпохи;
1930 Cadillac V-16 – один из лучших автомобилей того времени, по уровню эксклюзивности не уступает Bugatti Royal, оснащен 16-цилиндровым двигателем.

Целый ряд технологических решений сопоставляется с определенными моделями:

1932 – 1939 Alvis Speed – машина была оснащена синхронизированной коробкой передач;
1927 – 1931 Ford V-8 – применение двигателя с цилиндрами, имеющими плоскую головку;
1927 – 1931 Rolls-Royce Phantom III – платформа считалась технологической новинкой того времени;
1946 ГАЗ-М-20 «Победа» – кузов понтонного типа.

Период экономической депрессии для автомобильной отрасли продолжался с 1930 до 1948 года. Европейский автопром начал восстанавливаться ближе в 1950 году. По официальным данным считается, что восстановление после Второй мировой войны длилось до 1948 года.

Новые внешние признаки – закрытые кузова и обтекаемая форма

В этот период практически все автомобили имеют интегрированный, не выделяющийся бампер, закрытый кузов. В некоторых моделях появился багажник для грузов. Традиционные автомобили, характерные для винтажной эпохи – раундобауты и фаэтоны, а также городские модели с открытым верхом – полностью вытеснены с рынка.

К основным внешним признакам автомобиля версии начала 1950 года можно отнести следующие особенности:

полностью закрытая форма кузова;
приобретение аэродинамической формы с интегрированными бамперами, со скрытыми подножками и фарами – кузов понтонного типа;
некоторые автомобили имели «плавниковый» дизайн – «танк янки», это больше было характерно для американского автопрома;

Виды двигателей

Бензиновые моторы карбюраторного типа работают от топлива, смешанного с воздухом. Смесь эта предварительно подготавливается в карбюраторе, далее поступает в цилиндр. В нем смесь сжимается, воспламеняется искрой от свечи зажигания.
Инжекторные двигатели отличаются тем, что смесь подается напрямую от форсунок во впускной коллектор. У этого вида имеются две системы впрыска – моновпрыск и распределенный впрыск.
В дизельном моторе воспламенение происходит без свечей зажигания. В цилиндре данной системы находится воздух, разогретый до температуры, которая превышает температуру воспламенения топлива. В этот воздух через форсунку подается топливо, и вся смесь воспламеняется по образу факела.
Газовый ДВС имеет принцип теплового цикла, топливом может являться как природный газ, так и углеводородный. Газ поступает в редуктор, где давление его стабилизируется в рабочее. Затем попадает в смеситель, а в итоге воспламеняется в цилиндре.
Газодизельные ДВС работают по принципу газовых, только в отличие от них, смесь воспламеняется не свечой, а дизельным топливом, впрыск которого происходит также, как и у обычного дизельного мотора.
Роторно-поршневые типы двигателей внутреннего сгорания принципиально отличаются от остальных наличием ротора, который вращается в камере, имеющей форму восьмерки. Чтобы понять, что такое ротор, нужно усвоить, что в данном случае ротор выполняет роль поршня, ГРМ и коленчатого вала, то есть специальный механизм ГРМ здесь полностью отсутствует. При одном обороте происходит сразу три рабочих цикла, что сравнимо с работой двигателя с шестью цилиндрами.

Какие двигатели бывают?

Двигатели могут устанавливаться не только на автомобили, но и на промышленных предприятиях, для выполнения каких либо работ. Двигатели, которые устанавливаются на автомобили, называются транспортными.

Двигатели, которые используются на промышленном производстве, называются стационарными.

Непрерывная работа двигателя обеспечивается благодаря повторяющимся процессам в цилиндре, которые проходят в определенной последовательности.

Все процессы в двигателе, которые происходят во время его работы, называют рабочим циклом. По способу осуществления рабочего цикла двигатели разделяются надвухтактные и четырехтактные.

Для сгорания топлива необходимо смешать его с воздухом в определенной пропорции. По способу смесеобразования двигатели бывают карбюраторные, дизельные и инжекторные.

Зачем смешивать топливо с воздухом, спросите вы?

А вот, и школьная химия пригодилась. Для нормальной работы двигателя необходимо, чтобы топливо, подающееся в цилиндр, сгорало.

Что такое вечный двигатель?

Вечный двигатель– это устройство, которое работает бесконечно, без топлива и энергии.

Все мечтают изобрести вечный двигатель, но, к сожалению, пока такого изобретения не существует. Создание вечного двигателя противоречит закону физики сохранения энергии.

Давайте вспомним, что нужно для горения? Если вы хорошо учили химию, тогда вы должны помнить, что для реакции горения необходим кислород. Второе, что нам нужно это источник теплаогонь или искра. Если еще дровишек подкинете, то будет замечательный костер, который мы так любим делать, на пикнике.

В бензиновом двигателе в роли источника тепла выступает свеча зажигания (принудительное воспламенение). В дизельном двигателе процесс воспламенения происходит от сжатия (самовоспламенение).

На каком топливе работает двигатель? В двигателе в качестве «дровишек», в отличие от костра, используется топливо. Карбюраторные и инжекторные двигатели работают на бензине. Дизельные двигатели работают на дизельном топливе. Есть еще двигатели, работающие на газу.

Еще, двигатели классифицируются по числу цилиндров (одно и много — цилиндровые) и их расположению (V-образные, одно рядные), способу наполнения цилиндром свежим зарядом (без наддува, с наддувом) и охлаждению (жидкостное и воздушное).

1955 год: впрыск топлива

До появления системы впрыска процесс попадания топлива в камеру сгорания двигателя был неточным и плохо регулируемым, поскольку топливно-воздушная смесь подавалась с помощью карбюратора, который постоянно нуждался в очистке и периодической сложной механической регулировке. К сожалению, на эффективность работы карбюраторов влияли погодные условия, температура, давление воздуха в атмосфере и даже на какой высоте над уровнем моря находится автомобиль. С появлением же электронного впрыска топлива (инжектора) процесс подачи топлива стал более контролируемым. Также с появлением инжектора владельцы автомобилей избавились от необходимости вручную контролировать процесс прогрева двигателя, регулируя дроссельную заслонку с помощью «подсоса». Для тех, кто не знает, что такое подсос:

Подсос – это ручка управления пусковым устройством карбюратора, с помощью которой на карбюраторных машинах было необходимо регулировать обогащение топлива кислородом. Так, если вы запускаете холодный двигатель, то на карбюраторных машинах необходимо открыть «подсос», обогатив топливо кислородом больше, чем необходимо на прогретом моторе. По мере прогревания двигателя нужно постепенно закрывать ручку регулировки пускового устройства карбюратора, возвращая обогащение топлива кислородом к нормальным значениям.

Сегодня подобная технология, естественно, выглядит допотопно. Но еще совсем недавно большинство автомобилей в мире оснащались карбюраторными системами подачи топлива. И это несмотря на то, что технология впрыска топлива с помощью инжектора пришла в мир в 1955 году, когда инжектор впервые был применен на автомобиле (ранее эта система подачи топлива использовалась в самолетах).

В этом году было проведено испытание инжектора на спорткаре Mercedes-Benz 300SLR, который смог проехать, не сломавшись, почти 1600 км. Это расстояние автомобиль преодолел за 10 часов 7 минут и 48 секунд. Испытание проходило в рамках очередной автогонки «Тысяча миль». Эта машина установила мировой рекорд.

Кстати, Mercedes-Benz 300SLR стал не только самым первым серийным автомобилем с инжекторным впрыском топлива, разработанным компанией Bosch, но и самым быстрым автомобилем в мире в те годы.

Два года спустя компания Chevrolet представила спорткар Corvette с впрыском топлива (система Rochester Ramjet). В итоге этот автомобиль стал быстрее первооткрывателя Mercedes-Benz 300SLR.

Но, несмотря на успех Chevrolet Corvette с уникальной системой впрыска топлива Rochester Ramjet, именно электронные инжекторные системы Bosch (с электронным управлением) начали свое наступление по миру. В результате за короткое время впрыск топлива, разработанный компанией Bosch, начал появляться на многих европейских автомобилях. В 1980-е годы электронные системы впрыска топлива (инжектор) охватили весь мир.

Почему V4 не стал массовым двигателем?

Непопулярности двигателей V4 есть множество причин и один из самых серьезных аргументов против V4- это стоимость производства малообъемного мотора.

Первая причина: большая стоимость. Для этого типа двигателя требуется в два раза больше головок цилиндров и выпускных коллекторов, чем для рядного четырёхцилиндрового двигателя, в два раза больше распредвалов и в несколько раз больше клапанов со всеми вспомогательными системами.

И был бы смысл во всех этих затратах, так нет, все впустую. Никаких преимуществ по мощности или крутящему моменту по сути этот тип двигателей дать не способен. Да, V4 с развалом цилиндров в 90° более сбалансирован, он также немного компактнее своего ближайшего конкурента- рядного четырехцилиндрового силового агрегата, он круче выглядит в подкапотном пространстве, но в связи присущими производству этого двигателя затратами целесообразность его массового использования равна практически нулю.

Люди, знающие историю автомобилестроения, скажут, стоп, но ведь есть и другой пример четырехцилиндрового мотора, который также дорог и непрактичен в производстве. Оппозитный четырехцилиндровый двигатель с развалом в 180°. Он имеет то же количество цилиндров и головок, те же дополнительные расходы были связаны с его производством, что и при компоновке V4. Так почему он стал относительно популярным, а V4 нет?

Действительно, оппозитные двигатели завоевали свою нишу. Их было выпущено миллионы и миллионы будут еще произведены. От Volkswagen до Porsche, от Lancia до Citroen и конечно же законодателя оппозитной моды- Subaru, все используют оппозитные двигатели. Моделей с таким вариантом двигателей действительно произведены десятки. Так в чем же разница?

Разница есть и она существенная. Главными преимуществами оппозитного двигателя является его низкий центр тяжести, компактные размеры, низкие уровни шума и вибраций благодаря горизонтальному расположению цилиндров и движению поршней в плоскости горизонта. Также немаловажную роль играет высокий ресурс боксера, нередки двигатели данной компоновки прошедшие миллионы километров.

Эти положительные моменты с производственной точки зрения являются достаточными для того, чтобы закрыть глаза на недостатки, которых в технологичном оппозитном двигателе также не мало: сложное устройство, дорогой ремонт, высокие затраты на обслуживание.

Возможно последние недостатки оппозитной компоновки и сподвигли советских инженеров Запорожцев обратить внимание именно на V4, доступный и недорогой сервис был крайне важен в стране где нужно было экономить и где не была развита сеть автосервисов. Советские люди самостоятельно чинили свои машины и неплохо с этим справлялись благодаря простоте конструкций автомобилей

Также неоспоримым преимуществом было и то, что V-Образные четырехцилиндровые моторы занимали меньше места, чем их рядные собратья. Не зря они повсеместно ставились на компактные автомобили.

И тем не менее с дальнейшим развитием технологий и появлением в 70- 80 годах поперечных схем расположения двигателей последнее неоспоримое преимущество V-образного небольшого двигателя пало. И с необычной компоновкой пришлось распрощаться окончательно.

А как же мотоциклы? Там ведь тоже были V-4. Абсолютно верно. В спортивной и просто мощной мототехнике этот тип двигателей прижился очень даже неплохо. Несколько десятилетий он используется в мотоциклах Yamaha VMAX, спортивных Гран-при спортбайках и других типах мотоциклов где необходимы компактность, мощность и легкость.

Первичные двигатели

Первыми первичными двигателями стали парус и водяное колесо. Парусом пользуются уже более 7 тысяч лет.

Водяное колесо — норию широко применяли для оросительных систем в странах Древнего мира: Египте, Китае, Индии. Водяные и ветряные колёса широко использовались в Европе в средних веках как основная энергетическая база мануфактурного производства.

Паровые машины

В середине XVII века были сделаны первые попытки перехода к машинному производству, потребовавшие создания двигателей, не зависящих от местных источников энергии (воды, ветра и прочего). Первым двигателем, в котором использовалось тепловая энергия химического топлива, стала пароатмосферная машина, изготовленная по проектам французского физика Дени Папена и английского механика Томаса Севери. Эта машина была лишена возможности непосредственно служить механическим приводом, к ней «прилагалось в комплект» водяное мельничное колесо (по-современному говоря, гидротурбина), которое вращала вода, выжимаемая паром из парового котла в резервуар водонапорной башни. Котел то подогревался паром, то охлаждался водой: машина действовала периодически.

В 1763 году русский механик Иван Иванович Ползунов изготовил по собственному проекту стационарную паровую машину непрерывного действия. В ней были сдвоены два цилиндра, поочерёдно заполнявшиеся паром, и также подающими воду на башню, но — постоянно.

К 1784 году английский механик Джеймс Уатт создал более совершенную паровую машину, названную универсальным паровым двигателем. Уатт с детства работал подручным на машине конструкции Севери. В его задачу входило постоянно переключать краны подачи пара и воды на котел. Эта однообразная работа изрядно надоела изобретателю и побудила изобрести как поршень двойного хода, так и автоматическую клапанную коробку (потом и центробежный предохранитель). В машине был предусмотрен в цилиндре жесткий поршень, по обе стороны которого поочередно подавался пар. Все происходило в автоматическом режиме и непрерывно. Поршень вращал через кривошипно—шатунную систему маховик, обеспечивающий плавность хода. Паровая машина могла теперь стать приводом различных механизмов и перестала быть привязана к водонапорной башне. Элементы, придуманные Уаттом, входили в той или иной форме во все паровые машины. Паровые машины совершенствовали и применяли для решения различных технических задач: привода станков, судов, экипажей для перевозки людей по дорогам, локомотивов на железных дорогах. К 1880 году суммарная мощность всех работавших паровых машин превысила 26 млн кВт (35 млн л. с.).

Двигатель Стирлинга

В 1816 шотландец Роберт Стирлинг предложил двигатель внешнего сгорания, называемый сейчас его именем Двигатель Стирлинга. В этом двигателе рабочее тело (воздух или иной газ) заключен в герметичный объём. Здесь осуществлен цикл по типу цикла Севери («до-Уаттовского»), но нагрев рабочего тела и его охлаждение производятся в различных объёмах машины и сквозь стенки рабочих камер. Природа нагревателя и охладителя для цикла не имеют значения, а потому он может работать даже в космосе и от любого источника тепла. КПД созданных сейчас стирлингов невелик. Теоретически он должен раза в 2 превышать КПД для ДВС, а практически — это примерно одинаковые величины. Но у стирлингов есть ряд других преимуществ, которые способствовали развитию исследований в этом направлении.

Паровая турбина

Рисунки, изображающие крыльчатое колесо, вращающееся под воздействием потока пара, известны с древних времён. Однако практические конструкции паровой турбины были созданы лишь во второй половине XIX века, благодаря развитию конструкционных материалов, позволивших достичь высоких скоростей вращения.

В 1889 году шведский инженер Карл Густав де Лаваль предложил использовать расширяющееся сопло и быстроходную турбину (до 32000 об/мин), а, независимо от него, ещё в 1884 году англичанин Чарлз Алджернон Парсонс изобрёл первую пригодную для промышленного применения реактивную турбину (более тихоходную), способную вращать судовой винт. Паровые турбины стали применять на морских судах, а с начала XX века на электростанциях. В 1960-х годах их мощность превысила 1000 МВт в одном агрегате.

Преимущества и недостатки гибридных авто

Транспорт с гибридной силовой установкой расходует на 30 % меньше топлива по сравнению со стандартными моделями. На этом преимущества использования гибридного автомобильного двигателя не заканчиваются:

минимальное количество вредных выбросов за счет технологий рекуперативного торможения, наличия емкой АКБ;
согласованность функций ДВС и электромотора;
полезные инновации – опции стоп-старта, рециркуляции отработанных газовых смесей (подогревают тосол), изменение фазы распределения газов;
наличие водяного насоса с электроприводом, системы климат-контроля и усиления руля, улучшенного качения покрышек;
эффективность при работе на холостом ходу в городских условиях;
возможность продолжительной поездки без дозарядки аккумулятора – заправляется бак;
поддержка выбранного режима за счет компьютерного управления;
низкий уровень шума работающего мотора.

К недостаткам моделей с гибридными установками относятся:

необходимость регулярной нагрузки на АКБ;
батарея может разряжаться до критического состояния при низкой температуре;
проблемы с самостоятельным ремонтом машины;
дорогая цена запчастей, которые не всегда есть в наличии в сервисных центрах.

Минусом для некоторых пользователей является высокая цена транспорта – даже недорогие японские гибридные автомобили Toyota Yaris стоят около 18 тыс. евро.

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Принцип работы двигателя

Во всех ДВС, какой бы конструкции они ни были, используется один и тот же принцип работы. Это преобразование энергии теплового расширения при сгорании топлива сначала в прямолинейное, а затем во вращательное движение.

Принцип работы четырехтактного двигателя

Такты четырехтактного двигателя

Четырехтактные двигатели используются во всех автомобилях, крупной технике, авиации

Это так называемый классический вид ДВС, которому конструкторы уделяют всё свое внимание. Условно работу каждого цилиндра в ЦПГ можно разделить на 4 этапа (такта)

Это впуск, сжатие, сгорание, выпуск. На видео, ниже, наглядно показано работу 4-тактного двигателя в 3Д анимации.

На такте впуска поршень в цилиндре движется вниз, от клапанов к нижней мертвой точке (НМТ). Когда он начинает опускаться, открывается впускной клапан и в цилиндр поступает топливно-воздушная смесь (или только воздух, если двигатель с непосредственным впрыском). При движении поршень сам «накачивает» нужный объем воздуха в камеру сгорания, если двигатель атмосферный, или воздух поступает под напором, если установлен турбонаддув.
Дойдя до нижней мертвой точки поршень начинает подниматься. При этом впускной клапан закрывается, и при движении поршень сжимает воздух с распыленным в нём топливом до критического давления.
Как только поршень условно доходит до верхней мертвой точки и компрессия становится максимальной, срабатывает свеча зажигания и топливо вспыхивает (дизтопливо зажигается при сжатии само, без искры). Микровзрыв от вспышки толкает поршень снова вниз, к НМТ.
И на четвертом такте открывается выпускной клапан. Поршень снова движется вверх, выдавливая из камеры сгорания выхлопные газы в выпускной коллектор.

Работа четырехтактного двигателя

По сути, полезной работы в двигателе только один такт из четырех, когда при сгорании топлива создается избыточное давление, толкающее поршень. Остальные три такта нужны как вспомогательные, которые не дают импульса к движению, но на них расходуется энергия.

При таких условиях двигатель мог бы остановиться, когда кривошипно-шатунный механизм (КШМ) приходит к энергетическому равновесию. Но чтобы этого не произошло, используется большой маховик, соединенный с системой сцепления, и противовесы на коленвале, уравновешивающие нагрузки от работы поршней.

Принцип работы двухтактного двигателя

Такты двухтактного двигателя

Двухтактные двигатели используются не слишком широко. В основном это моторы скутеров и мопедов, легких моторных лодок, газонокосилок. Весь рабочий процесс такого двигателя можно разделить на два основных этапа:

В начале движения поршня снизу вверх (от нижней мертвой точки к верхней) в камеру сгорания поступает топливно-воздушная смесь. Поднимаясь, поршень сжимает ее до критической компрессии, и когда он находится в верхней мертвой точке, происходит поджиг.
Сгорая, топливо толкает поршень вниз, при этом одновременно открывается доступ к выпускному коллектору и продукты сгорания выходят из цилиндра. Как только поршень достигает нижней мертвой точки (НМТ), повторяется первый такт – впуск и сжатие одновременно.

Работа двухтактного двигателя

Казалось бы, двухтактный двигатель должен быть вдвое эффективней четырехтактного, ведь здесь на полезное действие приходится половина работы. Но в реальности мощность двухтактного двигателя намного ниже, чем хотелось бы, и причина этого кроется в несовершенном механизме газораспределения.

При сгорании топлива часть энергии уходит в выпускной коллектор, не выполняя никакой работы кроме нагрева. В итоге, двухтактные двигатели применяются только в маломощном транспорте и требуют особых моторных масел.