Бензиновий двигун: пристрій, принцип дії, переваги та недоліки

Щоб автомобіль зміг самостійно пересуватися, він повинен бути оснащений силовим агрегатом, який буде генерувати крутний момент і передавати цю силу на провідні колеса. Для цієї мети творці механічних засобів розробили ДВС або двигун внутрішнього згоряння.

Принцип роботи агрегату полягає в тому, що в його конструкції відбувається згорання суміші палива і повітря. Мотор створений так, щоб задіяти вивільняється в цьому процесі енергію для обертання коліс.

Під капотом сучасного автомобіля може встановлюватися бензиновий, дизельний або електричний силовий агрегат. В даному огляді ми зосередимося на бензинової модифікації: за яким принципом працює агрегат, яке у нього пристрій і деякі практичні рекомендації, як продовжити ресурс ДВС.

Що таке бензиновий двигун автомобіля

Спочатку розберемося з термінологією. Бензиновий мотор це поршневий силовий агрегат, який працює за рахунок згорання суміші повітря і бензину в спеціально відведених для цього порожнинах. В автомобіль може заливатися паливо з різним октановим числом (А92, А95, А98 і т.д.). Більш докладно про те, що таке октанове число, розповідається в іншій статті. Там же розповідається, чому для різних моторів може покладатися різна марка палива, навіть якщо це бензин.

Залежно від того, яку мету переслідує автовиробник, який сходить з конвеєра транспорт може оснащуватися різними типами силових агрегатів. У списку причин і маркетинг компанії (кожна нова машина повинна отримувати якесь оновлення, і покупці часто звертають увагу на тип силового агрегату), а також потреби основної аудиторії.

Так, з заводу автомобільного бренду може виходити одна і та ж модель машини, але з різними бензиновими двигунами. Наприклад, це може бути економічна версія, на яку частіше звертають увагу покупці зі скромним достатком. Або ж виробник може пропонувати більш динамічні модифікації, які задовольняють запити любителів швидкої їзди.

Також деякі автомобілі повинні бути здатні перевозити пристойні вантажі, як наприклад пікапи (в чому особливість цього типу кузова, читайте окремо). Для цих автомобілів теж покладається інший тип мотора. Зазвичай така машина буде мати значний робочий обсяг агрегату (про те, як розраховується цей параметр, є окремий огляд).

Отже, бензинові мотори дають можливість автобрендів створювати моделі машин з різними технічними характеристиками, щоб адаптувати їх для різних потреб, починаючи від невеликих сітікаров, і закінчуючи габаритними вантажівками.

Види бензинових двигунів

У рекламних проспектах на нові моделі автомобілів вказується багато різних даних. Серед них описується тип силового агрегату. Якщо в перших автомобілях досить було вказати тип використовуваного палива (дизель або бензин), то на сьогоднішній день одних бензинових модифікацій існує велика різноманітність.

Ось кілька категорій, за якими класифікуються такі силові агрегати:

1. Число циліндрів. У класичному виконанні машина оснащується мотором з чотирма циліндрами. Більш продуктивні, а разом з тим і більш ненажерливі, мають 6, 8 або навіть 18 циліндрів. Однак існують і агрегати з невеликою кількістю казанків. Наприклад, Toyota Aygo оснащується 1.0-літровим бензиновим ДВС на 3 циліндра. Подібний агрегат отримав і Peugeot 107. Деякі малолітражки можуть оснащуватися навіть двоциліндровим бензиновим агрегатом.
2. Будова блоку циліндрів. У класичному виконанні (4-циліндрова модифікація) мотор має рядне розташування циліндрів. В основному вони встановлені вертикально, але іноді зустрічаються і нахилені аналоги. Наступна конструкція, яка завоювала довіру у багатьох автомобілістів, це агрегат з V-подібним розташуванням циліндрів. У такій модифікації завжди парне кількість казанків, які розташовані під певним кутом один щодо одного. Часто таку конструкцію використовують для економії місця в підкапотному просторі, особливо якщо це габаритний мотор (наприклад, налічує 8 циліндрів, але місця займає, як 4-циліндровий аналог). Деякі виробники встановлюють в свої автомобілі W-подібний силовий агрегат. Ця модифікація відрізняється від V-образного аналога додатковим розвалом блоку циліндрів, який в розрізі має форму літери W. Ще один різновид моторів, які використовуються в сучасних автомобілях, це оппозітник або боксер. Детально про те, як влаштований такий движок і як він працює, розповідається в іншому огляді. Приклад моделей з подібним агрегатом - Subaru Forester, Subaru WRX, Porsche Cayman і т.д.
3. Система подачі палива. За цим критерієм мотори діляться на дві категорії: карбюраторні і інжекторні. У першому випадку бензин закачується в паливну камеру механізму, з якої через жиклер всмоктується у впускний колектор. Інжектор це система, яка примусовим чином розпорошує бензин в порожнину, в якій встановлена ​​форсунка. Детально робота цього пристрою описується тут. Інжектори бувають декількох видів, які відрізняються особливостями розташування форсунок. У більш дорогих автомобілях розпилювачі встановлюються безпосередньо в голівці блоку циліндрів.
4. Вид мастильної системи. Кожен ДВС працює в умовах підвищених навантажень, через що він потребує якісної мастилі. Існує модифікація з мокрим (класичний вид, в якому масло знаходиться в піддоні) або сухим (для зберігання масла встановлено окремий резервуар) картером. Детально про ці різновидах розповідається окремо.
5. Тип охолодження. Більшість сучасних моторів для автомобілів має водяне охолодження. У класичному виконанні така система буде складатися з радіатора, патрубків та охолоджуючої сорочки навколо блоку циліндрів. Дія цієї системи описано тут. Деякі модифікації силових агрегатів, що працюють на бензині, можуть мати і повітряне охолодження.
6. Тип циклів. Всього існує дві модифікації: двотактного або чотиритактного типу. Принцип дії двотактної модифікації описаний в іншій статті. Трохи пізніше розглянемо, як працює 4-тактний модель.
7. Тип надходження повітря. У впускний тракт повітря для приготування повітряно-паливної суміші може надходити двома способами. Більшість класичних моделей ДВС мають атмосферне тип впускної системи. У ньому повітря надходить за рахунок розрідження, яке створює поршень, рухаючись до нижньої мертвої точки. Залежно від системи упорскування в цей потік розпорошується порція бензину або перед впускним клапаном, або трохи раніше, але в тракті, відповідному конкретному циліндру. У моновриску подібно карбюраторної модифікації на впускному колекторі встановлюється одна форсунка, а ВТС потім всмоктується конкретним циліндром. Детально про роботу системи впуску розповідається тут. У більш дорогих агрегатах бензин може розпорошуватися безпосередньо в самому циліндрі. Крім атмосферного мотора існує також турбірована версія. У ній повітря для приготування ВТС нагнітається за допомогою спеціальної турбіни. Вона може працювати за рахунок руху вихлопних газів або за допомогою електричного мотора.

Що стосується особливостей конструкції, то історія знає декілька екзотичних силових агрегатів. Серед них двигун Ванкеля і безклапанних модель. Детально про декілька робочих моделях моторів з незвичайною конструкцією розповідається тут.

Принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння

Переважна більшість двигунів внутрішнього згоряння, які використовуються в сучасних автомобілях, працюють по чотиритактному циклу. Він заснований на тому ж принципі, що і будь-який інший ДВС. Щоб агрегат зміг згенерувати кількість енергії, необхідне для обертання коліс, кожен циліндр повинен циклічно заповнюватися сумішшю повітря і бензину. Ця порція повинна стискатися, після чого вона запалюється за допомогою іскри, яку генерує свічка запалювання.

Щоб вивільняється при згорянні енергія перетворювалася в механічну енергіію, ВТС повинна спалюватися в замкнутому просторі. Основний елемент, який знімає вивільнену енергію, це поршень. Він рухливий в циліндрі, і закріплений на кривошипно-шатунного механізму колінчастого вала.

Коли повітряно-паливна суміш спалахує, вона провокує розширення газів в циліндрі. За рахунок цього на поршень виявляється великий тиск, що перевищує атмосферний, і він починає рух до нижньої мертвої точки, провертаючи коленвал. На цьому валу закріплений маховик, до якого приєднується коробка передач. Від неї крутний момент передається на провідні колеса (передні, задні або в разі повнопривідного авто - все 4).

За один цикл мотора в окремому циліндрі виконується 4 такту. Ось в чому полягає їх дію.

впуск

На початку цього такту поршень знаходиться у верхній мертвій точці (камера над ним в цей момент порожня). За рахунок роботи сусідніх циліндрів коленвал провертається і тягне шатун, який переміщує поршень вниз. У цей момент газорозподільний механізм відкриває впускний клапан (їх може бути один або два).

Через відкрите отвір циліндр починає заповнюватися свіжою порцією повітряно-паливної суміші. У цьому випадку повітря змішується з бензином у впускному тракті (карбюраторний мотор або модель з розподіленим уприскуванням). Ця частина двигуна може мати різну конструкцію. Також існують варіанти, які змінюють свою геометрію, що дозволяє підвищувати ККД двигуна на різних оборотах. Детально про цю систему розповідається тут.

У модифікаціях з безпосереднім уприскуванням в циліндр на такті впуску надходить тільки повітря. Бензин розпорошується, коли в циліндрі буде завершуватися такт стиснення.

Коли поршень виявиться в самому низу циліндра, газорозподільний механізм закриває впускний клапан. Починається наступний такт.

стиснення

Далі колінчастий вал провертається (так само під дією поршнів, що працюють в сусідніх циліндрах), і через шатун починає піднімати поршень. Всі клапани в голівці блоку циліндрів закриті. Паливної суміші нікуди діватися, і вона стискається.

У процесі руху поршня до ВМТ повітряно-паливна суміш нагрівається (підвищення температури провокує сильне стиснення, яке також називається компресією). Сила стиснення порції ВТС впливає на динамічні характеристики. У різних моторів компресія може відрізнятися. Додатково пропонуємо ознайомитися з тим, в чому відмінність ступеня стиснення і компресії.

Коли поршень досягає крайньої точки вгорі, свічка створює розряд, через якого паливна суміш спалахує. Залежно від оборотів двигуна цей процес може починатися раніше, ніж поршень повністю підніметься, безпосередньо в цей момент або трохи пізніше.

У бензиновому моторі з безпосереднім уприскуванням стискається тільки повітря. У цьому випадку паливо розпорошується в циліндр перед тим, як поршень підніметься. Після цього створюється розряд і бензин починає згоряти. Далі починається третій такт.

Робочий хід

Коли ВТС запалюється, в надпоршневомупросторі відбувається розширення продуктів горіння. У цей момент крім сили інерції на поршень починає діяти тиск розширюються газів, і він знову рухається вниз. На відміну від такту впуску механічна енергія передається вже не від коленвала до поршня, а навпаки - поршень штовхає шатун і завдяки цьому провертає колінчастий вал.

Частина цієї енергії використовується для виконання інших тактів в сусідніх циліндрах. Інша частина крутного моменту знімається коробкою передач і передає його на провідні колеса.

Під час виконання такту робочого ходу всі клапани закриті, щоб розширюються гази впливали виключно на поршень. Цей такт закінчується, коли рухається в циліндрі елемент дійде до нижньої мертвої точки. Далі починається останній такт циклу.

Випуск

За рахунок провертання коленвала поршень знову переміщається вгору. У цей момент відкривається випускний клапан (один або два в залежності від типу ГРМ). Відпрацьовані гази потрібно видалити.

У міру переміщення поршня догори вихлопні гази видавлюються в випускний тракт. Додатково про його функції розповідається тут. Такт завершується при верхньому положенні поршня. На цьому цикл мотора завершується, і починається новий з такту впуску.

Не завжди завершення такту супроводжується повним закриттям конкретного клапана. Буває так, що впускні і випускні клапани деякий час залишаються відкритими. Це необхідно для підвищення ефективності провітрювання і наповнення циліндрів.

Отже, прямолінійний рух поршня за рахунок особливості конструкції колінчастого вала перетвориться в обертання. На цьому принципі засновані всі класичні поршневі мотори.

Якщо дизельний агрегат працює тільки від дизпалива, то бензиновий варіант може працювати не тільки від бензину, але і від газу (пропан-бутан). Детальніше про те, як буде працювати така установка, розказано тут.

Основні елементи бензинового двигуна

Щоб все такти в двигуні виконувалися своєчасно і з максимальною віддачею, силовий агрегат повинен складатися тільки з якісних деталей. У пристрій всіх поршневих ДВС входять наступні деталі.

Блок циліндрів

По суті, це корпус бензинового мотора, в якому зроблені канали охолоджуючої сорочки, місця для кріплення шпильок і самі циліндри. Існують модифікації з окремо встановлюються циліндрами.

В основному цю деталь виготовляють з чавуну, але заради економії ваги деяких моделей авто виробники можуть виготовляти алюмінієві блоки. У порівнянні з класичним аналогом вони більш крихкі.

поршень

Ця деталь, що входить до складу циліндропоршневої групи, приймає на себе вплив розширюються газів і забезпечує натиск на кривошип колінчастого вала. Коли виконується такт впуску, стиснення і випуску, ця деталь створює розрідження в циліндрі, стискає суміш бензину і повітря, а також видаляє з порожнини продукти горіння.

Будова, різновиди та принцип дії цього елемента докладно описані в іншому огляді. Якщо коротко, то з боку клапанів він може бути рівним або з виїмками. Із зовнішнього боку він з'єднується за допомогою сталевого пальця до шатуна.

Щоб при поштовху вихлопних газів при виконанні робочого ходу вони не просочувалися в підпоршневу простір, ця деталь оснащується декількома кільцями ущільнювачів. Про їх функції та конструкції є окрема стаття.

шатун

Ця деталь з'єднує поршень з кривошипом клонували. Конструкція цього елемента залежить від типу двигуна. Наприклад, у V-образного мотора два шатуна кожної пари циліндрів закріплені на одній шатунной шийці клонували.

В основному для виготовлення цієї деталі використовується високоміцна сталь, але іноді зустрічаються і алюмінієві аналоги.

Колінчастий вал

Це вал, який складається з кривошипів. До них приєднуються шатуни. У клонували є мінімум два корінних підшипника і противаги, які компенсують вібрації для рівномірного обертання осі вала і гасіння сили інерції. Більш докладно про пристрій даної деталі розповідається окремо.

З одного боку на ньому встановлений шків приводу ГРМ. З протилежного боку до коленвалу прикріплений маховик. Завдяки цьому елементу можливий запуск мотора за допомогою стартера.

клапани

У верхній частині двигуна в голівці блоку циліндрів встановлюються клапани. Ці елементи забезпечують відкривання / закривання впускних і випускних отворів для виконання потрібного такту.

У більшості випадків ці деталі подпружінени. Вони приводяться в рух розподільчим валом ГРМ. Цей вал за допомогою пасової або ланцюгової передачі синхронізований з колінчастим валом.

Свіча запалювання

Багатьом автомобілістам відомо, що дизельний мотор працює за рахунок нагріву стисненого в циліндрі повітря. Коли в цю середу впорскується солярка, повітряно-паливна суміш тут же запалюється від температури повітря. З бензиновим агрегатом інша справа. Щоб суміш загорілася, їй необхідна електрична іскра.

Якщо в бензиновому ДВС підвищити компресію до значення, наближеного до аналогічного показника в дизелі, то, маючи більш високе октанове число, бензин при сильному нагріванні може спалахнути раніше, ніж необхідно. Це призведе до поломки агрегату.

Свічка працює від системи запалювання. Залежно від моделі автомобіля ця система може мати різну будову. Детально про різновиди розповідається тут.

Допоміжні робочі системи бензинового двигуна

Жоден двигун внутрішнього згоряння не здатний працювати самостійно без допоміжних систем. Щоб мотор машини взагалі завівся, він повинен синхронізуватися з такими системами:

1. Паливна. Вона забезпечує подачу бензину по магістралі до форсунок (якщо це інжекторний агрегат) або в карбюратор. Ця система бере участь в приготуванні ВТС. У сучасних машинах складу повітряно-паливної суміші регулюється електронікою.
2. Запалювання. Це електрична частина, що забезпечує мотор стабільної іскрою для кожного циліндра. Існує три основних типи цих систем: контактного, безконтактного і мікропроцесорного типу. Всі вони визначають момент, коли потрібна іскра, генерують високу напругу і розподіляють подачу імпульсу на відповідну свічку. Жодна з цих систем не працюватиме, якщо несправний датчик положення коленвала.
3. Змащуюча і охолоджуюча. Щоб деталі мотора витримували великі навантаження (постійна механічна навантаження і вплив дуже високих температур, в деяких відділах вона піднімається до понад 1000 градусів), їм потрібна якісна і постійна мастило, а також охолодження. Це дві різні системи, але мастило в моторі теж дозволяє в деякій мірі відводити тепло від сильно нагрітих деталей, наприклад, від поршнів.
4. Вихлопна. Щоб машина з працюючим мотором не лякала оточуючих оглушливим звуком, вона отримує якісну вихлопну систему. Крім тихої роботи машини ця система забезпечує нейтралізацію шкідливих речовин, що містяться у вихлопі (для цього в машині повинен бути присутнім каталітичний нейтралізатор).
5. Газорозподільна. Це частина мотора (ГРМ знаходиться в голівці блоку циліндрів). Розподільчий вал по черзі відкриває впускні / випускні клапани, завдяки чому циліндри вчасно виконують відповідний такт.

Це основні системи, завдяки яким агрегат може працювати. Крім них силовий агрегат може отримати і інші механізми, що підвищують його ефективність. Прикладом тому служить фазообертач. Цей механізм дозволяє знімати максимум ККД на будь-яких оборотах мотора. Він регулює висоту і час відкриття клапанів, що впливає на динамічність машини. Детально принцип роботи і різновиди таких механізмів розглядаються окремо.

Як зберегти працездатність бензинового двигуна при багаторічної експлуатації?

Кожен автовласник замислюється над тим, як продовжити робочий ресурс силового агрегату свого авто. Перш ніж розглянемо, що він може зробити для цього, варто врахувати найважливіший фактор, що впливає на справність мотора. Це якість збірки і технологія, якою користується автовиробник, виготовляючи той чи інший силовий агрегат.

Ось основні дії, які повинен виконувати кожен автомобіліст:

• Проводити ТО свого автомобіля відповідно до регламенту, який встановив виробник;
• Заливати в бак тільки якісний бензин, і відповідний типу мотора;
• Використовувати моторне масло, призначене для конкретного ДВС;
• Не застосовувати препарат агресивний стиль водіння, часто доводячи мотор до максимальних обертів;
• Проводити профілактику поломок, наприклад, регулювання клапанних зазорів. Один з найважливіших елементів мотора є його ремінь. Навіть якщо візуально здається, що він ще в доброму стані, необхідно все одно його замінити, як тільки настане для цього час, вказане виробником. Детально про цей елемент розповідається окремо.

Так як мотор є одним з найбільш ключових агрегатів авто, кожен автомобіліст повинен прислухатися до його роботі і бути уважним навіть до незначних змін в його функціонуванні. Ось що може вказати на несправності силового агрегату:

• В процесі роботи з'явилися сторонні звуки або посилилися вібрації;
• ДВС втратив динамічність і віддачу на натиснення педалі газу;
• Підвищення ненажерливості (велика витрата бензину може бути пов'язаний з необхідністю прогрівати мотор взимку або при зміні стилю їзди);
• Рівень масла стабільно знижується, і мастило потрібно постійно доливати;
• Охолоджуюча рідина стала кудись діватися, але під машиною немає калюж, а бачок при цьому щільно закритий;
• Синій дим з вихлопної труби;
• Плаваючі обертів - самі піднімаються і падають або водієві потрібно постійно подгазовивать, щоб мотор не заглох (в цьому випадку може бути несправна система запалювання);
• Погано запускається або взагалі не хоче заводитися.

У кожного мотора свої тонкощі роботи, тому автомобілісту потрібно ознайомитися з усіма нюансами роботи і обслуговування агрегату. Якщо деякі деталі або навіть механізми в машині автомобіліст може замінити / відремонтувати самостійно, ремонт агрегату краще довірити фахівцеві.

Додатково пропонуємо прочитати про те, що скорочує роботу бензинового двигуна.

Переваги та недоліки універсальних бензинових двигунів

Якщо порівнювати дизельний агрегат і бензиновий, то до переваг другого відносяться:

1. Висока динамічність;
2. Стабільна робота при низьких температурах;
3. Негаласливим робота з невеликими вібраціями (якщо агрегат правильно налаштований);
4. Відносно недороге обслуговування (якщо не йдеться про ексклюзивні моторах, наприклад, боксерів або з системою EcoBoost);
5. Великий робочий ресурс;
6. Немає необхідності використовувати сезонне паливо;
7. Більш чистий вихлоп за рахунок меншого вмісту домішок в бензині;
8. При однакових з дизелем обсягах у даного типу ДВС більше потужності.

З огляду на високу динамічність і потужність бензинових агрегатів, більшість спортивних автомобілів оснащуються саме такими силовими установками.

Що стосується обслуговування, то у цих моделей теж є своя перевага. Матеріали на них коштують дешевше, а саме ТО не потрібно проводити так часто. Причина в тому, що деталі бензомотора піддаються меншому навантаженні, ніж аналоги, що використовуються в дизелях.

Хоча водій повинен бути уважним до того, на якій заправці він заправляє свій автомобіль, бензиновий варіант не такий вимогливий до якості палива в порівнянні з дизелем. У гіршому випадку, що може статися, це швидко засмітяться форсунки.

Незважаючи на ці переваги, у даних моторів є деякі мінуси, через що багато автолюбителів віддають перевагу дизелю. Ось деякі з них:

1. Незважаючи на перевагу в потужності, у агрегату з ідентичним об'ємом буде менший крутний момент. Для вантажного комерційного транспорту це важливий параметр.
2. Дизель з аналогічним літражем буде витрачати менше палива, ніж даний вид агрегату.
3. Що стосується температурного режиму, то в пробках бензиновий агрегат може перегрітися.
4. Бензин легше загоряється від сторонніх джерел тепла. Тому машина з таким ДВС більш пожежонебезпечна.

Щоб легше було вибрати, з яким агрегатом повинна бути машина, майбутній автовласник повинен спочатку визначитися з тим, що він хоче від свого залізного коня. Якщо наголос робиться на витривалість, великий крутний момент і економність, то явно потрібно вибирати дизель. Але заради динамічної їзди і більш дешевого обслуговування варто звернути увагу на бензиновий аналог. Звичайно, параметр бюджетного обслуговування це поняття розтяжне, тому що це безпосередньо залежить від класу мотора і тих систем, які в ньому використовуються.

На завершення огляду пропонуємо подивитися невелике відеосравненіе бензинових і дизельних моторів:

БЕНЗИН АБО ДИЗЕЛЬ? НАОЧНО ПОРІВНЮЄМО ДВА ТИПУ ДВИГУНІВ.

Питання та відповіді:

Як працює бензиновий двигун? Паливний насос подає бензин у карбюратор або на форсунки. Наприкінці такту стиснення бензину і повітря свічка запалювання утворює розряд іскри, яка спалахує ВТС, в результаті чого гази, що розширюються, виштовхують поршень.

Як працює чотиритактний двигун? У такому моторі є газорозподільний механізм (над циліндрами розташовується головка з розподільним валом, який відкриває/закриває впускні та випускні клапани – через них подається ВТС і видаляються гази, що відпрацювали).

Як працює двотактний двигун? У такому двигуні немає газорозподільного механізму. За один оборот коленвала виконується два такти: стиснення та робочий хід. Наповнення циліндра та видалення відпрацьованих газів відбувається одночасно.