Subaru предпочитает четырехцилиндровый двигатель конкуренту по компоновочным причинам. Что касается вибраций, то инерционные силы второго порядка Boxer уравновешиваются, но крутящий момент остается свободным от них.
Глава 4. Техника § 4.1 Двигатели
В современном производстве невозможно изготовить что-либо, используя только мускульную силу человека или животного. Все современные машины приводятся в движение двигателями. Они преобразуют энергию различных видов в механическую энергию, выраженную в метафорическом или вращательном движении. Используя эту энергию, выполняется полезная работа.
— Что такое двигатели и почему,
— как работают различные типы двигателей и для чего они используются.
— Понять структуру и назначение различных типов двигателей,
— Оценить пригодность двигателей для использования в машинах и производственных системах.
Двигатели
Подумайте, почему раньше люди обходились парусом для кораблей и лошадью для телег, а современные «телеги» оснащены мощными двигателями.
Двигатель — это устройство, которое преобразует некоторую форму энергии в механическую работу или энергию другого вида. В зависимости от типа используемой энергии, механическая энергия может поступать от
— ротор, вращающийся под воздействием внешних или внутренних сил,
— поршень, совершающий возвратно-поступательное движение,
— физический источник или устройство, снабжающее рабочий орган потоком газа или жидкости
— поток жидкости или газа в качестве источника энергии.
Двигатели приводят в действие все рабочие машины и технологические агрегаты на производстве. Все виды наземных, водных, воздушных и космических транспортных средств оснащены двигателями. Двигатели встроены во многие бытовые приборы.
Первые искусственные машины преобразовывали кинетическую энергию ветра (воздушных потоков) и движущейся воды в механическую работу (Рисунок 4.1, а). В Средние века такие машины превратились в ветряные мельницы в виде крыльчатки и водяные мельницы в виде водяного колеса.
С развитием науки ветряная мельница и водяное колесо были заменены паровым двигателем в конце 18 века (Рисунок 4.1, б) и двигателем внутреннего сгорания в 19 веке.
Двигатель внутреннего сгорания преобразует химическую энергию от сгорания топлива в механическую работу.
Рис. 4.1 Двигатели: a — современная ветряная турбина; b — паровой двигатель; c — электродвигатель; d — реактивный двигатель.
Новый этап промышленной революции начался с изобретения электродвигателя (рисунок 4.1, в). Принцип данного изобретения заключается в том, что электрический ток, протекающий в проводнике, создает магнитное поле вокруг проводника. Проводник начинает двигаться, когда он взаимодействует с другим полем. Однако сначала считалось, что электродвигатель не подходит для производства. Это были маломощные устройства, поскольку электричество поступало только от гальванических элементов (батарей).
С изобретением мощного электрогенератора и строительством электростанций рабочие машины и производственные линии стали оснащаться электродвигателями.
Эра реактивных и ракетных двигателей началась в середине прошлого века.
Тяга реактивного двигателя (рис. 4.1d) создается за счет выброса струи газа или жидкости с высокой скоростью из сопла. Это создает тягу двигателя. Реактивные двигатели — самый распространенный тип реактивных двигателей.
Ракетный двигатель работает так же, как и реактивный. Он также обеспечивает движущую силу, выстреливая струю газа на высокой скорости. Ракета больше не зависит от окружающей среды и может летать в газообразном пространстве. Ракета несет как топливо, так и окислитель для его сжигания и получения потока горячих газов.
Профессии и производство
Инженеры, конструкторы, технологи, технологи, конструкторы, мастера и техники из различных промышленных компаний и научно-исследовательских институтов занимаются изобретением, производством и выпуском двигателей различных типов.
Словарь
Проверьте себя:
1. как называется двигатель и для чего он нужен?
2. какие типы двигателей вы знаете? Для чего предназначен двигатель?
3. какие двигатели установлены в современных автомобилях, самолетах и ракетах?
4. какие типы двигателей установлены в электроприборах в вашем доме?
Подумайте об этом,К какому типу двигателей относится пушка, стреляющая снарядами большой дальности?
Оппозитный двигатель
В коробчатом (оппозитно-роторном) двигателе поршни движутся горизонтально слева и справа по обе стороны от коленчатого вала. В этом случае высота двигателя уменьшается. Благодаря использованию двигателя противовращения центр тяжести автомобиля понижается, и он движется более плавно. Крутящий момент, создаваемый поршнями с обеих сторон двигателя, уравновешивает друг друга, значительно снижая вибрацию во время движения.
Кроме того, двигатели могут работать на высоких скоростях. Несмотря на высокие обороты, двигатели с противовращением работают тише, чем обычные двигатели внутреннего сгорания.
Двигатели с боковым расширением используются компанией Porsche почти во всех моделях. Однако в Porsche Cayenne и Panamera не используются двигатели с оппозитным расположением цилиндров.
Рядный двигатель
В рядном двигателе все цилиндры расположены бок о бок в одной плоскости. Конструкция цилиндров и коленчатого вала довольно проста. Головка блока цилиндров не требует больших затрат на производство. Рядные двигатели также характеризуются высокой стабильностью, низким крутящим моментом на низких оборотах, низким расходом топлива и компактными размерами. Рядные двигатели обычно обозначаются латинской буквой «L-n», где n означает количество цилиндров в рядном двигателе. Современные автомобили обычно оснащаются двигателями с обозначением L3, L4, L5, L6.
V-образный двигатель делит все цилиндры на две группы, которые обращены друг к другу под определенным углом. В результате двигатель образует наклонную плоскость. Если посмотреть на этот тип двигателя сбоку, то он имеет V-образную форму. V-образные двигатели имеют небольшую высоту и длину. Этот тип двигателя легче установить в автомобиль по сравнению с обычными рядными двигателями, которые имеют гораздо большие размеры.
Сегодня V-образные двигатели используются во многих автомобилях среднего класса и класса люкс. Наиболее распространенным типом является 6-цилиндровый двигатель. Эти двигатели можно найти, например, в Volkswagen Passat, Audi A6 и Mercedes E-Class AMG.
Квазитурбинный двигатель
Квазидвигатель — это модифицированный двигатель на базе карусельного агрегата. В то время как обычный роторный двигатель использует три лопасти, квази-двигатель использует цепной ротор с четырьмя сегментами. Это беспоршневой роторный двигатель с ротором ромбовидной формы. Преимущество двигателя: это новый тип двигателя с небольшим размером, высокой мощностью и высоким крутящим моментом, который может работать от нескольких источников питания.
В настоящее время квазидвигатель еще не используется ни в одном транспортном средстве, поэтому невозможно проверить, подходит ли он в качестве замены традиционных поршневых двигателей внутреннего сгорания или в качестве лучшей альтернативы традиционным роторным двигателям. Квазидвигатель все еще находится на стадии прототипа.
На какие модели ставились данные двигатели
Двигатели 1NZ-FE долговечны, и единственным условием продления их срока службы является надлежащее техническое обслуживание автомобиля. Для производства двигателей этого типа производитель использует алюминиевые сплавы. Двигатель семейства 1NZ отличается экономичностью, поэтому он предназначен для использования на автомобилях в городском движении.
На сегодняшний день модель 1NZ установлена на 17 марках автомобилей Toyota:
- Ractis.
- Premio.
- Corolla;
- Vios;
- Raum;
- Probox;
- Funcargo и т.д.
Кроме того, на Scion xB и xA/ist устанавливаются двигатели, работающие по стандартному циклу Отто. Водители часто путают двигатели 1NZ-FE и 1NZ-FXE; буква X в обозначении последнего означает, что двигатель предназначен для гибридного привода. Он работает с меньшими затратами энергии, но является более надежным. Первоначально этот двигатель устанавливался только на Toyota Prius, но в начале 2000-х годов он стал использоваться и на других гибридных автомобилях группы:
Двигатель 2 NR-FKE устанавливается на автомобили Toyota с 2015 года. Для нормальной работы двигателя водители должны использовать высококачественное масло и топливо, иначе агрегат может выйти из строя. Основным недостатком двигателя этой марки является короткий срок службы катушки зажигания и водяного насоса.
Также можно услышать громкие звуки при работе двигателя в холодную погоду.
Он подходит для следующих марок автомобилей:
- Corolla Axio;
- Corolla Fielde;
- Porte XP140.
С какими двигателями лучше приобретать авто
Автомобили Toyota Senta лучше всего оснащаются двигателем 1NZ-FE с ДВС, который особенно популярен благодаря своей надежности. Toyota устанавливает его в 17 моделях своих автомобилей, что также доказывает его высокую производительность.
Многие европейские и американские автопроизводители также предпочитают двигатель 1NZ-FE. Для достижения большей мощности некоторые водители разгоняют параметры двигателя. Производитель агрегатов утверждает, что при соблюдении всех условий эксплуатации и технического обслуживания пробег двигателей может превысить 500 000 километров. После длительной эксплуатации двигатель уже не подлежит ремонту или восстановлению. В этом случае необходимо приобрести новый двигатель.
Уравновешенные и не очень
Из двухцилиндровых двигателей в настоящее время на автомобилях используется только один — двухцилиндровый рядный двигатель с одним коленчатым валом, у которого коленчатые валы направлены в одну сторону (например, отечественная «Ока»). Очевидно, что этот двигатель похож на одноцилиндровый двигатель с точки зрения равновесия, так как оба поршня движутся вверх и вниз одновременно, в фазе. Для уравновешивания свободных инерционных сил первого порядка слева и справа от коленчатого вала двигателя «Ока» были установлены два противовесных вала. Но как насчет сил второго порядка? Чтобы справиться с ними, пришлось бы установить два противовесных вала, что было бы совершенно неуместно для двухцилиндрового двигателя, изначально разработанного для небольших и недорогих автомобилей.
Но это не имеет значения — многие двухцилиндровые двигатели были построены без балансирных валов. Так было, например, с маленьким Fiat 500 1957 года. Да, вибрации были, и они пытались гасить их с помощью подвески двигателя. Но двигатель был простым и дешевым! Дешевизна двухцилиндровых двигателей прельщает производителей и сегодня: не зря именно эта система использовалась для самого дешевого автомобиля в мире — индийского Tata Nano с кузовом хэтчбек.
Автомобилей с оппозитными спаренными двигателями было не так много — по экономическим и конструктивным причинам. Например, был французский Citroen 2CV.
Двухцилиндровый двигатель, у которого кривошипы направлены в разные стороны (180°), сегодня можно встретить только в мотоциклах. Поскольку поршни в нем всегда движутся в противоположных фазах, он лучше сбалансирован. Но изменение вспышек на цилиндрах также возможно только для двухтактных двигателей — такие двигатели устанавливались на довоенные DKW и их прямых преемников, Trabants с пластиковыми головками. В целях простоты и дешевизны не было балансирных валов, и вибрации были терпимы. Я помню только один автомобиль с двухцилиндровым двигателем, и это был бытовой автомобиль. С другой стороны, этот тип двигателя сохранился только в мотоциклах — вспомните американский Harley Davidson и его японских поклонников с их хромированными близнецами во всей их красе. Такой двигатель можно почти полностью сбалансировать с помощью противовесов на коленчатом валу, но при этом невозможно переключить даже один индикатор. К счастью, мотоциклисты не обращают особого внимания на вибрации.
Трехцилиндровый двигатель менее сбалансирован, чем четырехцилиндровый, поэтому производители трехцилиндровых двигателей — такие как Subaru и Daihatsu — стараются оснащать их балансирными валами. Моторостроители Opel отказались от балансирного вала и разработали трехцилиндровый двигатель семейства Ecotec для второго поколения Corsa, чтобы добиться экономичности конструкции и снизить механические потери. А трехцилиндровая Corsa была раскритикована немецкими автожурналистами после своего дебюта: «Совершенно невозможно ездить в городе с переключением режимов». В четырехцилиндровом рядном двигателе, наиболее популярном среди производителей двигателей, все еще существует свободная сила инерции второго порядка. Его можно сбалансировать только с помощью балансирного вала, вращающегося с удвоенной скоростью. (Разве вы не забыли, что сила инерции второго порядка действует с удвоенной частотой?) А чтобы компенсировать крутящий момент балансирного вала, нужно установить другой вал, вращающийся в противоположном направлении. Дорого? В этом нет никаких сомнений. Но двигатели с балансирными валами также можно встретить в Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat и различных марках Volkswagen.
VR6, VR5, W12.
Помните, мы говорили о двигателях с маленьким кулачком — как в Lancia? В прошлом таких систем избегали — их было сложнее сбалансировать, чем двигатели с изгибом 60° или 90°, а выигрыш в компактности тогда не так ценился. Но сейчас ситуация изменилась. Во-первых, везде используются гидравлические крепления силового агрегата, которые значительно снижают вибрации. Во-вторых, пространство под капотом теперь на вес золота. Кто бы мог представить себе в прошлом скромный хэтчбек с двигателем? А теперь — добро пожаловать! Все началось с третьего поколения Volkswagen Golf VR6.
Знаменитый двигатель VR6 компании Volkswagen, двигатель «V-серии» (обозначение VR), был дальнейшим развитием двигателя small-block. Угол расстояния между цилиндрами был еще меньше, чем у Lancia, всего 15°. Угол настолько мал, что такой двигатель называют «смещенным рядом». Гениальное решение — «шестерка» 2.8 компактнее обычного двигателя V6 и к тому же имеет одну головку! Затем появились двигатели VR5 — VR6, от которых «отрезали» один цилиндр. Именно производители двигателей Volkswagen сняли цепь.
Двигатель VR5 2.3 был получен производителями Volkswagen путем удаления одного цилиндра из двигателя VR6. Угол кривизны блока составляет 15°, а пять цилиндров охватываются единой головкой блока.
Они разработали двигатель W12 с наддувом, который дебютировал в прототипе W12 Roadster в 1998 году. Это два двигателя VR6, установленные на одном коленчатом валу под углом 72°. Однако до этого в производство поступил двигатель W8, который использовался в седане класса люкс Passat. Он также имеет два двигателя VR6, из которых «вырезаны» два цилиндра и которые также объединены в единый блок на одном коленчатом валу. Некоторое время назад в Вольфсбурге рассматривалась возможность установки восемнадцатицилиндрового двигателя — но в итоге было решено остановиться на W16 с четырьмя турбокомпрессорами, который позволяет Bugatti Veyron развивать скорость 431 км/ч.
Супердвигатель W12, показанный в одноименном прототипе, питает топовые модели Audi, Volkswagen и Bentley. На фотографии хорошо видно ступенчатое расположение цилиндров пары блоков, соединенных в единую отливку под углом 72°. Длина двигателя составляет всего 51 см, а ширина — 70 см.
Почему же раньше не было таких двигателей? Только взгляните на коленчатый вал двигателя W12 — невообразимое зрелище для инженера-технолога! Создателям новых диаграмм понадобилась помощь компьютера. Рассчитать все вариации кривой, коленвала, порядок вспышек на цилиндрах и выбрать наиболее сбалансированный очень сложно без помощи компьютеров.
