Двигатель внутреннего сгорания – основной источник энергии автомобиля – состоит из механизмов и систем, обслуживающих и обеспечивающих необходимый режим его работы (рис. 1.1). Работа двигателя основана на преобразовании тепловой энергии, возникающей при горении топливовоздушной смеси, в механическую.

      Наибольшее распространение получили двигатели внутреннего сгорания поршневого типа, тепловая энергия в которых преобразуется в возвратно-поступательное движение поршня, превращаемое затем во вращательное движение коленчатого вала, передающееся через делительные преобразователи (трансмиссию) к колесам – движителям.
     Применяемые на легковых автомобилях ДВС независимо от конструктивного исполнения технологических особенностей изготовления, мощности и сложности систем, обеспечивающих надежную и экономичную работу двигателя, имеют аналогичную принципиальную схему работы, схожий состав узлов и деталей.
     Рассмотрим некоторые частные примеры, которые позволят создать определенное представление о конструкции поршневых ДВС, применяемых на отечественных и зарубежных легковых автомобилях.
     На автомобилях с приводом на задние колеса («классическая компоновка») устанавливается продольно расположенный четырехцилиндровый двигатель с верхним расположением распределительного вала механизма газораспределения. На автомобилях с приводом на передние колеса устанавливаются поперечно расположенные четырехцилиндровые двигатели с рядными вертикальными цилиндрами и верхним расположением распределительного вала. Как в первом, так и во втором случаях для различных моделей применяются унифицированные двигатели, отличающиеся геометрическими размерами цилиндров, поршней и других узлов. Отличительная особенность двигателей переднеприводных автомобилей заключается в их компоновочных размерах, обусловленных поперечным расположением совместно с коробкой передач между брызговиками передних колес.
     Все двигатели (рис. 1.2) имеют аналогичные узлы и детали, выполняющие определенные функциональные задачи.      Основные части двигателя: его корпус – картер, головка цилиндра, цилиндр, поршень, шатун, коленчатый вал, газораспределительный механизм, впускные и выпускные клапаны, свечи зажигания, впускной и выпускной трубопроводы, а также узлы и детали систем смазочной, охлаждения и питания топливом. Цилиндры двигателя объединены с верхней частью картера в единую отливку – блок цилиндров. Снизу блок цилиндров закрыт поддоном картера, который одновременно служит емкостью для масла смазочной системы.
      Сверху на блок цилиндров установлена общая для всех цилиндров головка, изготовленная из алюминия или его сплавов. Между головкой и блоком цилиндров расположена уплотнительная прокладка. На головке цилиндров размещены распределительный вал механизма газораспределения, клапанный механизм, газовые каналы и др. Распределительный вал приводится во вращение от коленчатого вала двухрядной роликовой цепью с натяжным устройством полуавтоматического типа или специальным зубчатым ремнем с эксцентриковым роликовым натяжителем.

     Коленчатый вал – чугунный, литой, пятиопорный, концы его уплотнены самоподжимными сальниками. Поршни – алюминиевые, литые, имеют два компрессионных и одно маслосъемное кольца.
Смазочная система двигателя – комбинированная (под давлением от масляного насоса и разбрызгиванием). Масляный насос шестеренного типа с внешним (для заднеприводных автомобилей) или внутренним (для переднеприводных автомобилей) зацеплением. Привод насоса осуществляется непосредственно от коленчатого вала или роликовой цепью.
     Система охлаждения двигателя – жидкостная, закрытого типа, с принудительной циркуляцией жидкости и расширительным бачком. У переднеприводных автомобилей система работает при более высоком тепловом режиме по сравнению с заднеприводными моделями. Насос охлаждающей жидкости – центробежного типа, приводится во вращение от коленчатого вала клиновым ремнем у двигателей заднеприводных машин и ременной передачей к распределительному валу – у переднеприводных.
     Система питания с бензиновым двигателем на легковых автомобилях имеет либо карбюратор, либо систему впрыска.
     Двигатели оборудуют как контактной, так и бесконтактной системой зажигания.
     Зарубежные автомобили «Ауди», «Форд», «Опель», «Мерседес», «БМВ» и другие имеют как бензиновые двигатели, так и дизели. Следует отметить, что на отечественных легковых автомобилях дизели практически не используются. В настоящее время зарубежные легковые автомобили, оборудованные дизелями, находят применение в нашей стране, но не столь широкое, как с бензиновыми двигателями. Это можно объяснить сравнительно меньшей долговечностью дизелей по сравнению с бензиновыми двигателями, некоторыми экономическими проблемами и низким качеством отечественного дизельного топлива. Проблемы эксплуатации дизелей имеются и за рубежом.
     Продолжая описание применяемых на легковых автомобилях двигателей, обратимся к зарубежным моделям. Для привода легковых автомобилей «Ауди» применяются четырех-, пяти- и шестицилиндровые двигатели, работающие на бензине и дизельном топливе. У четырех- и пятицилиндровых двигателей цилиндры имеют рядное расположение. У шестицилиндрового двигателя цилиндры имеют V-образное расположение под углом 90° друг к другу.
    Автомобили «Ауди-80» имеют четырехцилиндровые дизели с двумя различными способами впрыска топлива. Двигатель расположен вдоль автомобиля. Блок цилиндров двигателя выполнен из серого чугуна. На верхней части блока на болтах установлена алюминиевая головка цилиндров, в которой расположен клапанный механизм.
Распределительный вал воздействует на впускные и выпускные клапаны через гидравлические толкатели, автоматически компенсирующие тепловые зазоры.
     Для приготовления топливовоздушной смеси применяется система впрыска, которая, как правило, не требует обслуживания. Электрическая искра вырабатывается электронной системой зажигания, которая определяет оптимальное время впрыска с учетом загрузки двигателя, частоты вращения и температуры. В зависимости от конструкции двигателя распределитель зажигания установлен либо на левой стороне блока цилиндров, либо у головки цилиндров. В четырехцилиндровом двигателе он приводится в движение посредством зубчатой передачи через вспомогательный вал, который, в свою очередь, приводится в движение от коленчатого вала через зубчатый ремень. В пятицилиндровом двигателе привод распределителя зажигания осуществляется непосредственно от распределительного вала. Шестицилиндровый двигатель имеет систему зажигания без распределителя, с тремя сдвоенными катушками зажигания, которые находятся впереди между рядами цилиндров.
     Конструкция дизеля аналогична бензиновым двигателям за исключением системы воспламенения топливовоздушной смеси. Соответственно имеет определенные отличия и система питания топливом, содержащая топливный насос высокого давления и топливоподкачивающий насос низкого давления. Для пуска холодного двигателя применяется подогрев камеры сгорания свечой накаливания.
     Следует отметить как особенность конструкции дизельного двигателя наличие двухполостных разделительных камер сгорания – вспомогательной и основной, соединенных между собой. Различают вихревую камеру и предкамеру. В вихревой камере создается обогащенная смесь, поступающая в виде вихревых потоков в основную камеру, там перемешивается со сжатым воздухом и обеспечивает полное сгорание смеси. В предкамере, соединенной с основной камерой каналами, при впрыске топлива навстречу потоку заряда воздуха, сжатого поршнем, происходит турбулизация заряда и эффективное перемешивание воздуха с топливом.
     Дизель отличается от бензинового и системой остановки двигателя. В современных моделях двигатель отключается вакуумным регулятором, прекращающим подачу топлива при установке ключа зажигания в положение «0». В вакуумном регуляторе создается дополнительное давление через механический насос во время всей работы двигателя. Остановке двигателя способствует подача воздуха к подкачивающему механизму, в результате чего происходит замедление и двигатель останавливается приводом выключения насоса высокого давления.
     Автомобиль «Опель Вектра/Калибра» приводится в движение рядным двигателем с жидкостным охлаждением. Распределительный вал находится у двигателя ОНС вверху в головке блока цилиндров (ОНС – Over head camshaft). Шестнадцатиклапанный двигатель автомобиля имеет два распределительных вала, расположенных сверху (DOHC), из которых один управляет впускными, а другой выпускными клапанами. Блок цилиндров отлит из сплава серого чугуна с отверстиями под цилиндры двигателя. При большом износе или появлении задиров на поверхности стенок цилиндров их можно хонинговать и шлифовать. После этого необходимо установить поршни большего размера. У дизеля объемом 1,7 л могут быть установлены гильзы, которые дают возможность применять поршни с нормальными размерами. В нижней части блока цилиндров находится коленчатый вал, который опирается на подшипники. Через подшипники скольжения коленчатый вал связан с шатунами. Снизу блок цилиндров закрыт масляным поддоном, в котором собирается масло, служащее для смазывания и охлаждения двигателя. В головке блока цилиндров, изготовленной из алюминия, запрессованы клапанные седла и стальные направляющие клапанов. Применение алюминия для головки блока цилиндров объясняется его хорошей теплопроводностью и низким удельным весом. Головка блока цилиндров выполнена по так называемому принципу поперечной продувки. Это означает, что свежая топливовоздушная смесь попадает на одну сторону головки блока цилиндров, в то время как сгоревшие газы выходят с другой стороны головки. Благодаря поперечной организации потока обеспечивается хороший газообмен. Вверху в головке блока цилиндров находится распределительный вал, который приводится в движение зубчатым ремнем от коленчатого вала. Распределительный вал воздействует на вертикально висящие впускные и выпускные клапаны через рычаги. Гидравлические компенсаторы зазоров клапанов исключают необходимость регулировки тепловых зазоров клапанов при техническом обслуживании.
     У 16-клапанного двигателя один распределительный вал управляет впускными, другой – выпускными клапанами. Оба вала приводятся в движение зубчатым ремнем. Они воздействуют на наклонно расположенные клапаны непосредственно через гидравлический чашечный толкатель. Гидротолкатель обеспечивает большую жесткость и, таким образом, большую стабильность частоты вращения. Наличие большого числа клапанов обеспечивает хороший газообмен и более высокую эффективность использования энергии топлива.
     Смазывание двигателя обеспечивает масляный насос, укрепленный на корпусе двигателя и приводимый в движение коленчатым валом. Масло из масляного поддона поступает через отверстия в каналы к подшипникам коленчатого и распределительного валов и на зеркало цилиндров.
     Насос охлаждающей жидкости находится на блоке цилиндров и приводится в движение через зубчатый ремень.
Для подготовки топливовоздушной смеси служит карбюратор или система впрыска, которая, как правило, не требует обслуживания. Электрическая искра создается электронным устройством зажигания, которое практически не требует обслуживания. Регулирование момента зажигания при техническом обслуживании также не требуется.
     С целью повышения мощности двигателя без увеличения числа и объема его цилиндров устраивают увеличение литровой мощности двигателя путем его форсирования. При форсировании двигателя осуществляется его наддув. Наддув – это способ повышения мощности двигателя путем увеличения цикловой подачи топлива и количества воздуха в цилиндр под давлением. Наиболее широкое использование в современных двигателях имеет газотурбинный наддув. В этом случае применяется центробежный компрессор, приводом которого выступает часть энергии отработавших газов, поступающих на лопатки газовой турбины. Газовая турбина и компрессор, объединенные в единый блок, получили название турбокомпрессор. При газотурбинном наддуве возможны два способа использования энергии отработавших газов: ресиверный и импульсный. При постоянном давлении отработавшие газы поступают в ресивер перед турбиной и под постоянным давлением подаются на ее лопатки. При импульсном наддуве отработавшие газы поступают непосредственно на турбину. В этом случае используется потенциальная и кинетическая энергия газов.
     На ряде двигателей форсированный режим работы достигается за счет небольшого усложнения конструкции турбокомпрессора. Например, турбодизель объемом 1,7 л (ТС 4 ЕЕ1) и двигатель с турбонаддувом объемом 2,0 л (С 20 LET) оснащены турбонагнетателем. На валу турбонагнетателя установлены два турбинных колеса в двух раздельных корпусах. Турбинные колеса приводятся в движение отработавшими газами двигателя. Они разгоняют газовое колесо до частоты вращения 120 000 мин-1. Так как оба колеса сидят на одном валу, то с той же скоростью вращается и воздушное колесо нагнетателя, которое накачивает воздух в цилиндры двигателя. Благодаря лучшему наполнению цилиндров увеличивается мощность двигателя. Степень этого увеличения зависит от давления накачиваемого воздуха. Если давление увеличивается выше установленного значения, то открывается клапан и давление уменьшается.
     Вместе с увеличением мощности при турбонаддуве увеличивается также вращающий момент, что благоприятно сказывается на динамических качествах автомобиля.
     Для дальнейшего улучшения наполнения цилиндров турбокомпрессор автомобиля «Опель Вектра/Калибра» охлаждается воздухом. Охладитель находится между трубопроводами и всасывающим колесом и охлаждает предварительно сжатый воздух. Это необходимо, так как сжатый воздух нагревается в результате сжатия в турбонагнетателе, и его плотность (а вместе с ней и содержание в воздухе кислорода) уменьшается. В противоположность бензиновым двигателям в дизельных двигателях степень сжатия вследствие наддува возрастает, и поэтому даже при низких оборотах впрыскиваемое топливо сгорает полностью.
     Как видно из представленного описания двигателей легковых автомобилей, можно отдельные механизмы и системы, обслуживающие двигатель, рассматривать без привязки к конкретным отечественным или зарубежным машинам, а при анализе конструкции отмечать только особенности, присущие той или иной фирме, выпускающей автомобили.

    Механическая энергия, необходимая для движения автомашины, перевозки пассажиров и транспортировки грузов по различным дорогам с наибольшей средней скоростью, создается .силовой установкой, состоящей из двигателя – основного источника механической энергии и различных механизмов и систем, обеспечивающих необходимый режим работы двигателя и требуемый характер движения автомобиля.
     Двигатель – устройство, преобразующее любой вид энергии в механическую работу. В легковых автомобилях широкое применение нашли поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Работа двигателя основана на преобразовании тепловой энергии, образующейся при горении топливовоздушной смеси, в механическую работу, необходимую для движения машины.
В применяемых на автомобилях ДВС поршень может совершать как поступательное перемещение, так и вращательное движение (роторно-поршневые двигатели). Однако, роторные двигатели (в основном используемые на некоторых автомобилях японского производства), несмотря на небольшую массу и размеры, имеют низкие экономические показатели и не нашли широкого применения.
     Двигатели современных автомобилей стали более экономичными, что привело к значительному уменьшению вредных выбросов, т. е. двигатели стали более экологически чистыми. Начали применяться альтернативные виды топлив, что также позволило снизить выброс в атмосферу вредных веществ с выхлопом. Широкое повсеместное использование получили газовые двигатели, работающие на газообразном природном топливе (сжиженном и сжатом газе). Газовые двигатели лучше, чем бензиновые, запускаются при низких температурах, имеют более однородную топливовоздушную смесь и значительно уменьшенное содержание в отработавших газах углеводородов и оксидов азота. При этом конструкция бензинового двигателя, на котором устанавливается система подачи газа, практически не изменяется, кроме системы топливоподачи. В частности, применение сжиженных нефтяных газов позволяет снизить содержание вредных веществ в отработавших газах более чем на 10 %.
     В качестве топлива для автомобилей возможно применение различных спиртов. В частности, этанола и метанола. Применение спиртов в чистом виде усложняется их высокой теплотой испарения и низкой теплотой сгорания. На таких автомобилях затруднен пуск холодного двигателя, поэтому спирты (например, этанол) используются как 10-процентная добавка к бензину.
     Применение метанола – спиртового топлива, получаемого в процессе переработки нефти или каменного угля, обеспечивает снижение вредных выбросов по сравнению с бензином на 5 %. К недостаткам метанолового топлива относится его высокий расход: для получения необходимой мощности требуется вдвое большее количество метанола по сравнению с бензином.
     В некоторых странах пробовали использовать этанол – спиртовое топливо, получаемое из растений (кукуруза, сахарный тростник и др.). Этанол по своим свойствам близок к метанолу и также обеспечивает снижение вредных примесей в отработавших газах. Однако отработавшие газы двигателей, работающих на этаноле, имеют неприятный запах и вызывают раздражение слизистых оболочек.
     Проводятся работы и по созданию ДВС, работающих на водородном топливе. Водород (Н2) – горючий газ, который при сгорании соединяется с кислородом, образуя воду. Водород, по современным представлениям, является наиболее перспективным топливом для автомобильного транспорта. Однако применение такого двигателя осложняется вопросами безопасности при осуществлении рабочего процесса, сложностью создания систем питания и снабжения водородом.
Следует отметить тенденцию использования двигателей, преобразующих электрическую энергию в механическую, на автомобилях, работающих в основном в городских условиях (электромобили). Однако, учитывая небольшой запас энергии существующих в настоящее время электрических источников и их большую массу, такие двигатели на автомобилях имеют ограниченное применение. В настоящее время появились так называемые гибридные двигатели, которые имеют совместные источники энергии: тепловой двигатель (дизельный или бензиновый небольшой мощности) и электродвигатель. Такие двигатели имеют высокие экологические показатели и топливную экономичность.