Двигатели. Рядный? V-образный? «Оппозит»?
В начале прошлого столетия, в расцвет конструкторской мысли, двигатель объемом 10 литров мог быть как с одним цилиндром, так и иметь рядное расположение восьми цилиндров. В то время обычной практикой было оснащать автомобиль рядным шестицилиндровым двигателем объемом 23 литра или даже втиснуть радиальный мотор с аэроплана.
Однако рост производственных мощностей, оборотов и неистовая борьба за снижение себестоимости расставили все по своим местам. Самый обычный двигатель с одним цилиндром канул в Лету. Теперь стандартная емкость автомобильного двигателя варьируется от 300 до 600 кубических сантиметров. Литровая мощность составляет от 35 л.с./л для дизельных двигателей без наддува и до 100 л.с./л для форсированного двигателя с наддувом. Для серийного производства это самые оптимальные значения, за пределы которых выходить нецелесообразно.
В наши дни если автомобиль оснащен 100-сильным двигателем, он в подавляющем большинстве случаев будет иметь четыре цилиндра, 200-сильный сможет похвастаться четырьмя, пятью, шестью цилиндрами, а 300-сильный — восьмью… Но как же расположить эти цилиндры? Проще говоря, по какой схеме создавать многоцилиндровый двигатель?
Простота хуже компактности
О чем беспокоятся конструктора? В первую очередь, о том, как упростить структуру двигателя, чтобы удешевить стоимость производства и сделать его легким в обслуживании. Простейший из двигателей — рядный. Чтобы добиться желаемого объема, необходимо расположить в ряд определенное количество цилиндров.
Автомобили с двух-трехцилиндровым двигателем пока редкость, но данная тенденция набирает популярность. Этому способствуют продвинутые системы смесеобразования и использование турбонаддува (как, например, на двухцилиндровом турбированном хэтчбеке Fiat 500 мощностью 85 л.с.). А вот рядный четырехцилиндровый двигатель попал в самый массовый диапазон легковых автомобилей с объемом от 1 до 2,4 литра.
Пятицилиндровые рядные двигатели вышли в серийное производство относительно недавно — в середине 70-х. Первым из таких автомобилей стал Mercedes-Benz со своими дизельными “пятерками” — они появились в 1974 году (на модели 300В с шасси W123). Через два года публике представили четырехцилиндровый двухлитровый бензиновый двигатель Audi. А в конце 80-х гг. такие двигатели уже выпускали на заводах Volvo и Fiat.
Шестицилиндровые однорядные двигатели, которые до сегодняшнего дня были популярны в Европе, теперь поистине можно назвать вымирающим видом. А рядную восьмерку так уж подавно. Производители распрощались с ней еще в 30-х. Но почему?
Ответ прост. Чем больше цилиндров, тем длиннее становится двигатель, а это сопряжено с определенными неудобствами при его размещении. Например, втиснуть шестирядник вдоль моторного отсека переднеприводного автомобиля удавалось лишь в паре случаев. В первом случае это был Austin Maxi 2200 середины 60-х (конструкторам пришлось спрятать коробку передач под двигателем). Вторым приходит на ум Volvo S80 со сверхкомпактной коробкой передач.
Как же укоротить рядный двигатель? Можно “распилить” его пополам, разместить обе части рядом друг с другом и сделать так, чтобы они работали на один коленвал. Такие двигатели, в которых цилиндры расположены в форме латинской буквы V, в два раза короче аналогичных рядных — наиболее распространенные двигатели с углом развала блока 60° и 90°. V-образный же мотор с углом развала 180°, в котором цилиндры расположены напротив друг друга, называют оппозитным (или “боксером” — обозначения B2, B4, B6 происходят от слова boxer).
Такие двигатели сложнее рядных — к примеру, у них по две головки цилиндров (при этом каждая со своим уплотнителем и коллектором), больше распредвалов и соответственно более комплексная конфигурации привода. Оппозитные двигатели к тому же занимают много места в ширину. Поэтому из соображений компоновки такие двигатели редко используют.
А что насчет V-рядного двигателя? Как сделать его еще более компактным? Одно из наиболее простых решений — установить угол развала блока на уровне менее 60°. И вправду такие моторы были, но они скорее редкость — можно вспомнить Lancia Fulvia 70-х годов с моторами V4. Угол развала этого автомобиля равнялся 23°. Почему автоконструкторы этим не воспользовались? Потому что перед ними всегда стоит еще одна задача — борьба с вибрациями.
О силе и крутящем моменте
Без вибраций поршневой двигатель внутреннего сгорания работать не может. Так он устроен. Но бороться с ними нужно. И не только для того, чтобы повысить комфорт пассажиров. Сильные несбалансированные вибрации приводят к разрушению деталей двигателя. Со всеми вытекающими.
Почему возникают вибрации? Во-первых, в некоторых конфигурациях двигателей вспышки в цилиндрах происходят неравномерно. Конструкторы всеми силами стараются сделать маховик более массивным, чтобы сгладить пульсации момента. Кроме того, во время движения поршней вверх-вниз они то совершают разгон, то торможение, что приводит к возникновению сил инерции — сродни тем, что заставляют пассажиров кланяться при торможении или вдавливают их в спинки кресел при разгоне. В-третьих, шатун в двигателе совершает сложное движение, а не просто перемещается вверх и вниз. Да и возвратно-поступательное движение поршня от верхней мертвой точки к нижней нельзя описать простой синусоидой.
Поэтому среди сил инерции появляются компоненты с удвоенной, утроенной или учетверенной скоростью вращения коленвала. Эти так называемые силы инерции высшего порядка как правило не учитывают, поскольку по сравнению с ведущей силой инерции (которой присвоен первый порядок) они весьма незначительны. Исключение — силы инерции второго порядка, которые необходимо принимать во внимание. Помимо этого, пары сил, приложенные на определенном расстоянии, формируют момент. Так бывает когда силы инерции в соседних цилиндрах разнонаправлены.
Как помочь сбалансировать силы и момент? Во-первых, можно выбрать такую конфигурацию двигателя, в которой цилиндры и кривошипы коленвала расположены таким образом, что силы и моменты взаимно уравновесят друг другу — они всегда будут равными и направлены друг против друга.
Но что если ни одна из сбалансированных схем не подходит, например, в силу компоновочных причин. Тогда можно попытаться изменить положение шеек коленвала и применить различного рода противовесы, которые создают силы и моменты, равные по величине, но противоположные по направлению основным уравновешиваемым силам. Иногда это возможно если разместить противовесы на коленчатом валу двигателя. А иногда — на дополнительных валах, именуемых балансирными валами противовращения. Свое название они получили потому, что вращаются в противоположную коленвалу сторону. Однако это приводит к удорожанию двигателя и усложнению его конструкции.
Таким образом, выходит, что среди типовых двигателей есть только два полностью уравновешенных — рядная и оппозитная “шестерки”. Теперь вы понимаете, почему BMW и Porsche крепко держатся за такие моторы? О причинах, по которым с ними не связываются остальные автопроизводители, мы рассказали выше. Давайте подробнее рассмотрим остальные конфигурации.
Уравновешенные и не очень двигатели
Среди двигателей с двумя цилиндрами в настоящее время используют лишь один — двухцилиндровый рядный мотор с коленчатым валом, в котором кривошипы однонаправлены (как, например, на “Оке”). Очевидно, что этот двигатель схож с одноцилиндровым в плане уравновешенности, поскольку оба поршня в нем движутся вверх-вниз одновременно и синхронно. Чтобы сбалансировать свободные силы инерции первого порядка, в конструкции мотора советской “Оки” использовали два вала с противовесами — слева и справа от коленвала. А как насчет сил второго порядка? Чтобы справиться с ними, производителю пришлось бы добавить два дополнительных уравновешивающих вала, что было бы совершенно неуместно на двухцилиндровом двигателе, изначально задуманном для использования в компактных и недорогих автомобилях.
Хотя это еще ничего, ведь в свое время многие двухцилиндровые двигатели и вовсе не имели уравновешивающих валов. Взять, к примеру, Fiat 500 1957 года выпуска. Да, вибрации на нем имели место. Автопроизводитель пытался погасить их с помощью подвески силового агрегата…Но зато двигатель при этом получался простым и дешевым! Доступность двухцилиндровых моторов привлекает конструкторов и в наши дни. Ведь не зря эту схему использовали создатели самого бюджетного автомобиля в мире — индийского хэтчбека Tata Nano.
В наши дни двухцилиндровый двигатель с разнонаправленными кривошипами можно встретить разве что на мотоциклах. Он лучше уравновешен, поскольку поршни в нем движутся в противофазе. Однако добиться равномерного распределения вспышек в цилиндрах можно достичь только на двухтактных двигателях — такие когда-то устанавливали на довоенные DKW и их прямых наследников, пластиковые гэдээровские Трабанты. Стоимость их была невысока, поэтому ни о каких уравновешивающих валах и речи быть не могло. Водитель вынужден был мириться с постоянными вибрациями.
Единственный автомобиль с двухцилиндровым V-образным двигателем, который приходит на ум — это отечественный НАМИ-1. До наших дней он дошел только на мотоциклах — вспомните легендарный Harley Davidson и его японских преемников с их V-образными моторами во всем своем хромированном великолепии. Такой двигатель можно сбалансировать почти полностью с помощью противовесов на коленвале, но добиться равномерного распределения вспышек невозможно. Здорово, что байкерам нет дела до вибраций….
Трехцилиндровый двигатель сбалансирован хуже, чем рядный четырехцилиндровый. Вот почему такие автопроизводители, как Subaru и Daihatsu стараются оснастить их уравновешивающими валами. В свое время инженеры Opel решили отказаться от последних в пользу трехцилиндрового двигателя из семейства Ecotec для второго поколения Corsa. Их целью было снизить стоимость и механические потери. Немецкие журналисты разнесли в пух и прах трехцилиндровую Corsa после дебюта в 1996 году, заявив: “Совершенно невозможно ездить по городу в переменных режимах.”
В наиболее популярной среди конструкторов-двигателистов рядной четверке инерционная сила второго порядка остается свободной. Ее можно сбалансировать только с помощью уравновешивающего вала, вращающегося с удвоенной скоростью. (Вы же помните, что инерционная сила второго порядка действует с удвоенной частотой?) А для компенсации момента от уравновешивающего вала необходимо установить еще один, вращающийся в противоположную сторону. Накладно? Еще бы! Тем не менее, двигатели с балансирующими валами встречаются на автомобилях Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat и Volkswagen.
Кстати говоря, оппозитный четырехцилиндровый двигатель более сбалансирован, чем рядный — здесь имеет место лишь момент от инерционных сил второго порядка, которые стремятся вращать двигатель вокруг вертикальной оси. Однако оппозитный двигатель воздушного охлаждения культового “Жука”, наряду со знаменитыми “боксерами” Субару прекрасно обходились и до сих пор обходятся без уравновешивающих валов.
У рядных “пятерок” с уравновешенностью не все так гладко. Инерционные силы компенсируются, но вот момент от этих сил… Во время работы двигателя по блоку “пробегает” волна изгибающего момента, поэтому блок должен быть достаточно жестким. Однако и Mercedes, и Audi, и Volvo справляются с вибрациями за счет изменения подвески силового агрегата или использования специальных противовесов (как у 2,5-литровой версии TFSI на Audi TT RS). И только конструкторы Фиат использовали уравновешивающий вал, который полностью гармонизировал все моменты.
Кстати говоря, практически все пятицилиндровые двигатели сформированы путем прибавления дополнительного цилиндра к четырехцилиндровому двигателю — совсем как кубики в детском конструкторе. Цель в данном случае — получить более мощные двигатели с минимальными производственными и конструкторскими затратами. При этом начинку, включая поршни, карданные валы, клапаны и т. д. можно позаимствовать у четырехцилиндрового мотора. Понадобятся другой блок и головка цилиндра и, разумеется, коленчатый вал, кривошипы которого должны быть расположены под углом в 72°.
О мечте в плане уравновешенности — шестицилиндровых моторах — мы уже поговорили. Но в двигателях V6, которые вытесняют рядные “шестерки”, дела с уравновешенностью обстоят не лучше, чем у трехцилиндровых двигателей. Поэтому самый первый двигатель Mercedes-Benz V6, легендарный M112 с тремя клапанами на цилиндр, был оснащен уравновешивающим валом в развале блока цилиндров. Трехлитровый шестицилиндровый двигатель концерна PSA был оснащен валом в одной из головок блока. В то время инженеры старались не усложнять конструкцию на многих двигателях и свести уровень вибраций к минимуму за счет улучшенной подвески силового агрегата и замысловатого смещенного расположения пальцев кривошипа (как, к примеру, на Audi V6).
Добавьте к этому еще один момент — в моторах V6 с углом наклона в 90° не получается достичь равномерного чередования вспышек в цилиндрах. Возникающую при этом неравномерность хода можно компенсировать при помощи маховика с утяжелителем, но лишь частично. Вот и еще один источник вибрации…
Двигатели V8 с углом развала и коленвалом, кривошипы которого расположены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях отличаются хорошей уравновешенностью. В таком двигателе есть возможность добиться равномерного чередования вспышек, что также способствует плавному ходу. Два момента остаются неуравновешенными. Но усмирить их можно с помощью двух противовесов на коленвале — на стенках крайних цилиндров. Теперь понимаете, почему американцы распробовали всю прелесть V-образных двигателей? Вибрации и тряски им ох как не по душе…
Под конец поговорим о схемах нестандартных. Во-первых, на ум приходят двигатели V4. Таких можно сосчитать по пальцам — европейский Форд 60-х (им были оснащены автомобили Ford Taunus, Capri и Saab 96), а также чудо-двигатель советского “Запорожца”. В данном случае пришлось применить уравновешивающий вал для момента от сил инерции первого порядка. Как бы то ни было конструкторы вышеназванных автомобилей отдавали предпочтение данной схеме отнюдь не из соображений уравновешенности, а основываясь на компактности и отчасти экономии.
А как насчет V-образных десятицилиндровых двигателей? Степень уравновешенности подобных моторов аналогична моторам R5. Тем не менее, конструкторы прошлых двигателей Формулы-1 или монстров Dodge Viper и Dodge RAM, оснащенных двигателями V10, о вибрациях думали в последнюю очередь.
А остальные схемы можно свести к предыдущим. К примеру, оппозитная “восьмерка” (пример применения — гоночные автомобили Porsche 917) представляет собой две “четверки”, которые работают на один коленвал. А V-образный и оппозитный двенадцатицилиндровые двигатели можно свести к двум рядным “шестеркам”.
VR6, VR5, W12…
Помните, мы выше упоминали V-образные моторы с малым углом развала блока — как на Lancia? Ранее такие схемы обходили стороной, поскольку уравновесить их гораздо сложнее, чем двигатели с развалом в 60° или 90°, а увеличение компактности в то время ценили далеко не все.
Теперь же ситуация изменилась кардинально. Во-первых, широко стали применять гидроопоры силового агрегата, которые существенно подавляют вибрации. Во-вторых, место под капотом нынче на вес золота. Подумать только кто мог раньше себе представить рядовой хэтчбек с 2,8-литровым мотором? А теперь — на здоровье! А началось все с третьего поколения Volkswagen Golf VR6.
Легендарный двигатель VR6, “V-образно-рядный” (о чем говорит буквосочетание VR), стал логическим продолжением V-образных двигателей с малым углом развала блока. Цилиндры этого двигателя разделены на еще меньший угол, чем аналогичные на Ланчах — всего лишь на 15°. Угол настолько мал, что такой двигатель еще называют “смещенно-рядным”. Феноменальное решение — использование 2,8-литровой “шестерки”, которая более компактна, нежели традиционный двигатель V6, да и к тому же имеет одну головку блока! Позднее появился двигатель VR5. Это тот же VR6, от которого отрезали один цилиндр. После этого инженеры концерна Volkswagen буквально слетели с катушек.
Они разработали сверхкомпактный двигатель W12, который впервые появился в 1998 году на концепт-каре W12 Roadster. Это два двигателя V6, расположенных под углом 72° на коленвале. Но задолго до этого началось серийное производство двигателя W8, которым оснащалась топовая модель седана Passat. Там также два мотора VR6, от которых отрезано два цилиндра и которые также объединены в одном блоке на одном коленвале. Однажды в Вольфсбурге задумались и о создании восемнадцатицилиндрового двигателя, но в итоге остановились на W16 с четырьмя турбокомпрессорами, который разгоняет Bugatti Veyron до 431 км/ч.
Почему же таких моторов не было раньше? Взгляните, к примеру, на коленвал мотора W12 — подобное не придет в голову ни одному технологу в мире! Разработчикам новых схем призван помочь компьютер. Без него сложно просчитать возможные варианты угла развала блока, местоположение пальцев кривошипа, порядок вспышек в цилиндрах и выбрать наиболее уравновешенный.
Теория и практика
Как вы можете видеть, при выборе схемы силового агрегата конструкторы ставят во главу угла далеко не уравновешенность. Основная задача — успешно встроить в моторный отсек такой двигатель, который будет иметь наилучшее соотношение массы, габаритов и мощности. В наше время двигатели чаще всего строят по модульному принципу. Проще говоря, на одной поршневой группе можно построить любой двигатель — как трехцилиндровый, так и W12. Примеру Фольксваген следуют все больше и больше автопроизводителей. Последняя линейка двигателей Mercedes — отличное тому подтверждение.
А вибрации… Во-первых, важно различать теоретическую и действительную уравновешенность. Если коленвал в сборе с маховиком не сбалансирован, а поршни с карданными валами существенно отличаются по весу, трясти будет даже рядную “шестерку”. В конечном счете, действительная уравновешенность всегда хуже теоретической ввиду отклонения деталей от номинальных размеров и из-за деформации агрегатов под нагрузкой. Таким образом, вибрации “вырываются” из двигателя наружу вне зависимости от используемой схемы. Поэтому автоинженеры уделяют так много внимания подвеске силового агрегата. Конструкция и расположение опор двигателя по факту являются не менее важным фактором, чем степень уравновешенности самого двигателя…
Оригинальная статья на сайте ДРАЙВ: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html
