На початку 20 століття, коли прогрес конструкції був у розпалі, двигун об’ємом 10 літрів міг бути як одноциліндровим, так і, наприклад, рядною вісімкою. Тоді вже нікого не здивував встановлений на автомобіль 23-літровий рядний шестициліндровий двигун або семициліндровий радіальний мотор від літака…
Проте зростання виробничих потужностей, товарообігу та запекла боротьба за здешевлення продукції розставляють все на свої місця. Найпростіший одноциліндровий двигун став для автовиробників далеким минулим. Середній об’єм циліндрів двигуна звичайного автомобіля зараз становить від трьохсот до шестисот кубічних сантиметрів. Продуктивність на літр – від 35 к.с./л для безнаддувного дизеля до 100 к.с./л для потужного бензинового атмосферного двигуна. Це оптимум для двигунів масового виробництва і виходити за його межі просто невигідно.
Сьогодні 100-сильний двигун має в більшості випадків чотири циліндри, 200-сильний – чотири, п’ять або шість циліндрів, 300-сильний – вісім… Але як же розташувати ці циліндри? Іншими словами, за якою схемою виробники можуть побудувати багатоциліндровий двигун?
Простота гірша за компактність
Яке питання є головним у свідомості дизайнера? По-перше, питання про те, як спростити конструкцію двигуна, щоб він був дешевшим у виробництві і легшим в обслуговуванні. Прямий двигун найпростіший. Щоб отримати необхідну ємність, конструкторам необхідно розташувати необхідну кількість циліндрів в ряд.
Дво- і трициліндрові двигуни не часто зустрічаються в автомобілях, хоча тенденція двоциліндрових двигунів набирає обертів. Цьому сприяють передові системи змішування і використання турбонаддува (як, наприклад, у 85-сильної двоциліндрової турбоверсії хетчбека Fiat 500). А ось рядна четвірка потрапила в самий масовий діапазон легкових автомобілів — від 1 до 2,4 л.
П’ятициліндрові рядні двигуни з’явилися на серійних автомобілях порівняно недавно – в середині 70-х років. Першим був Mercedes-Benz зі своїми дизельними п’ятициліндровими двигунами – вони з’явилися в 1974 році (на моделі 300D з шасі W123). Через два роки був випущений п’ятициліндровий дволітровий бензиновий двигун Audi. А в кінці 80-х років такі двигуни почали робити Volvo і FIAT.
Рядні шестициліндрові двигуни, які донедавна були такими популярними в Європі, тепер миттєво стали зникаючим видом. А про рядний восьмерик не може бути й мови — з ним виробники практично попрощалися ще в 30-х роках. чому
Відповідь проста. Зі збільшенням числа циліндрів двигун стає довшим, і це створює масу незручностей в компонуванні. Наприклад, втиснути рядний шестициліндр в моторний відсік передньопривідної машини вдавалося в окремих випадках — тільки на англійському Austin Maxi 2200 середини 60-х років (тоді конструкторам довелося приховати коробку передач). під двигуном) і Volvo S80 із суперкомпактною коробкою передач спадають на думку.
Як можна вкоротити прямий двигун? Ми можемо «розпиляти» його навпіл, поставити дві половинки одна до одної і змусити їх працювати на один колінчастий вал. Такі двигуни, в яких циліндри розташовані у формі літери V, вдвічі коротші за прямі — найпоширенішими є двигуни з кутом укладання 60° і 90°. А V-образний двигун з кутом нахилу 180°, у якого циліндри розташовані один навпроти одного, називається плоским двигуном (або опозитним – від цього слова походять позначення B2, B4, B6 і т. д.).
Такі двигуни складніші за рядні — наприклад, у них дві головки блоку циліндрів (кожна зі своєю прокладкою і колекторами), більше розподільних валів і складніша конфігурація приводу. А плоскі двигуни теж займають багато місця по ширині. Тому з компонувальних міркувань їх використовують досить рідко — виробників опозитних двигунів можна по пальцях перерахувати.
І як ми можемо зробити двигун V ще компактнішим? Одним із простих, на перший погляд, рішень є встановлення кута включення блоку менше 60°. Дійсно, такі двигуни зустрічалися, але рідко – можна згадати, наприклад, Lancia Fulvia 70-х років з двигунами V4, кут включеного блоку якого був 23°. Чому не кожен виробник використовував його? Справа в тому, що конструктор двигуна завжди стикається з іншою проблемою — вібрацією.
Сила і крутний момент
Взагалі поршневий двигун внутрішнього згоряння не може працювати без вібрацій – така у нього конструкція. Але боротися з ними потрібно, і не лише покращувати комфорт пасажирів. Сильні незбалансовані вібрації можуть викликати руйнування моторних частин — з усіма наслідками, які вилітають і випадають з цього…
Чому виникають вібрації? По-перше, спалахи в циліндрах відбуваються нерівномірно в деяких конфігураціях двигуна. Конструктори по можливості уникають таких схем або намагаються зробити маховик більш масивним — це допомагає згладити пульсації крутного моменту. По-друге, коли поршні рухаються вгору-вниз, вони прискорюються, а потім сповільнюються, що викликає виникнення інерційних сил – схожих на ті, які змушують пасажирів автомобіля нахилятися при гальмуванні або штовхати їх на спинки сидінь під час розгону. По-третє, шатун в двигуні не рухається вгору-вниз, а виконує складний рух. І зворотно-поступальний рух поршня від верхньої мертвої точки до нижньої також не можна описати простою синусоїдою.
Отже, серед сил інерції фігурують компоненти з подвоєною, потроєною чи учетвереною швидкістю обертання колінчастого вала… Цими так званими силами інерції вищого порядку зазвичай нехтують — вони дуже малі порівняно з основною силою інерції (яка було присвоєно перший орден). Винятком є сили інерції другого порядку, з якими необхідно рахуватися. Крім того, пари сил, прикладені на певній відстані, утворюють крутні моменти — це відбувається, коли сили інерції в сусідніх циліндрах мають різні напрямки.
Що можна зробити, щоб урівноважити сили та моменти? По-перше, ви можете вибрати конфігурацію двигуна, в якій циліндри і кривошипи розташовані таким чином, що сили і крутні моменти взаємно врівноважують один одного — вони завжди будуть рівними і мають протилежні напрямки.
Але що, якщо жодна зі збалансованих схем не підходить — наприклад, з міркувань компонування? Тоді конструктор може спробувати по-іншому розташувати штифти колінчастого вала та застосувати всілякі противаги, які створюють сили та крутні моменти, рівні за величиною, але протилежні за напрямком основним силам, які врівноважуються. Іноді це можна зробити, поставивши противаги на колінчастий вал двигуна. А іноді – на додаткових валах, які називаються балансирними валами протиобертання. Вони називаються так тому, що вони обертаються в іншому напрямку, ніж колінчастий вал. Але це ускладнює двигун і збільшує його вартість.
Серед поширених абсолютно збалансованих двигунів є лише два типи двигунів – рядний і шестицилиндровий. Тепер ви розумієте, чому BMW і Porsche так міцно тримаються за такі двигуни. А причини, чому інші від них відмовляються, ми вже згадували. Тепер давайте детальніше розглянемо інші конфігурації.
Збалансовані та не дуже збалансовані двигуни
Серед двоциліндрових двигунів на автомобілях сьогодні використовується тільки один — двоциліндровий прямолінійний двигун з колінчастим валом, у якого кривошипи мають один напрямок (такий, наприклад, встановлювався на російську «Оку»). Як ви можете бачити, цей двигун схожий на одноциліндровий двигун з точки зору балансу, оскільки обидва поршні рухаються вгору і вниз одночасно, у фазі. Для врівноваження вільних інерційних сил першого порядку в двигуні «Ока» використовувалися два вали з противагами зліва і справа від колінчастого вала. Але як щодо сил другого порядку? Щоб впоратися з ними, виробникам довелося б додати ще два балансирних вала, що було б абсолютно недоречно на двоциліндровому двигуні, спочатку призначеному для маленьких і дешевих автомобілів.
Однак це нічого — багато двоциліндрових двигунів випускалося взагалі без балансирних валів. Наприклад, такі встановлювали на маленький Fiat 500 1957 року випуску. Так, вібрації були, виробник намагався їх гасити підвіскою силового агрегату… Але двигун виявився простим і дешевим! Дешевизна двоциліндрових двигунів сьогодні спокушає розробників: не дарма таку схему застосували творці найдоступнішого автомобіля на планеті – індійського хетчбека Tata Nano.
Зараз двоциліндровий двигун, кривошипи якого мають різні напрямки (під кутом 180°), можна зустріти лише на мотоциклах. Він краще збалансований, так як поршні в ньому завжди рухаються в протифазі. Однак рівномірного чергування спалахів в циліндрах можна досягти тільки в двотактних двигунах — такі двигуни встановлювали на довоєнні DKW і їх прямих спадкоємців, пластикові трабанти ГДР. Через простоту і дешевизни на них також не було балансирних валів, і водії просто мирилися з виникаючими вібраціями.
Запам’ятався єдиний автомобіль з двоциліндровим V двигуном – російський НАМІ-1. І донині цей тип двигуна зберігся тільки на мотоциклах — згадайте американський Harley Davidson і його японських послідовників з їх V-two двигунами у всій хромованій красі. Такий мотор можна майже повністю збалансувати за допомогою противаг на колінчастому валу, але рівномірного чергування спалахів домогтися неможливо. Добре, що байкери не дуже зважають на вібрації…
Трициліндровий двигун збалансований гірше рядного, тому виробники трьохциліндрових двигунів, наприклад Subaru і Daihatsu, намагаються оснащувати їх балансирними валами. Тоді конструктори двигунів Opel вирішили відмовитися від балансирного вала, розробляючи для Corsa другого покоління трициліндровий двигун сімейства Ecotec – щоб знизити вартість і механічні втрати. А трициліндрову Corsa розкритикували німецькі автомобільні журналісти після її дебюту в 1996 році: «Їздити містом у змінних режимах абсолютно неможливо».
Сила інерції другого порядку залишається вільною в найпопулярнішому двигуні серед конструкторів — рядній четвірці. Збалансувати його можна лише балансирним валом, що обертається з подвоєною швидкістю. (Ви забули — сила інерції другого порядку діє з подвійною частотою?) А для компенсації моменту від балансирного вала доведеться поставити інший, що обертається в протилежну сторону. Дорого? Звичайно. Однак двигуни з балансирними валами можна зустріти на Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat і багатьох марках Volkswagen.
До речі, чотирициліндровий двигун збалансований краще, ніж рядний — є лише крутний момент від сил інерції другого порядку, який прагне повернути двигун навколо вертикальної осі. Однак і плоский двигун з повітряним охолодженням легендарного Beetle, і знамениті оппозитні двигуни Subaru обходилися і обходяться без балансирних валів.
Стріт-п’ятірки не дуже добре справляються з балансом. Сили інерції компенсуються, але крутний момент від цих сил… Під час роботи двигуна по блоку постійно «пробігає» хвиля згинального моменту, тому блок повинен бути дуже жорстким. Однак і Mercedes-Benz, і Audi, і Volvo борються з вібраціями, модифікуючи підвіску силового агрегату або використовуючи спеціальні противаги (як п’ять 2,5 TFSI з наддувом на Audi TT RS). І тільки конструктори двигунів Fiat використовували балансирний вал, який повністю збалансував всі крутні моменти.
До речі, майже всі п’ятициліндрові двигуни утворюються шляхом додавання ще одного циліндра до чотирициліндрового – як цеглинки в конструкторі. Це зроблено для того, щоб отримати більш потужні двигуни з мінімальними витратами на виробництво та проектування. При цьому всю начинку, включаючи поршні, шатуни, клапана і т.д., можна взяти з чотирициліндрового двигуна. Вам знадобиться інший блок і головка блоку циліндрів і, звичайно ж, колінчастий вал, кривошипи якого повинні бути розташовані під кутом 72°.
Ми вже згадували шестициліндрові двигуни, мрія з точки зору збалансованості. Але в двигунах V6, які витісняють рядні «шістки», ситуація з балансом така ж, як і в трициліндровому, тобто не така. Тому, наприклад, найперший двигун Mercedes-Benz V6 оснащувався балансирним валом в клініці — заслужений М112 з трьома клапанами на циліндр. Трилітровий шестициліндровий двигун концерну PSA мав вал в одній з головок блоку. Інженери намагалися не ускладнювати конструкцію на інших двигунах того часу і намагалися знизити рівень вібрації до мінімуму за рахунок вдосконаленої підвіски силового агрегату і хитромудрого зміщеного розташування шатунних пальців (як, наприклад, на Audi V6 ).
Додамо тут ще одне зауваження — у двигунах V6 з кутом включення 90° не забезпечується рівномірне чергування спалахів у циліндрах. Виникла нерівномірність ходу може бути компенсована обтяженим маховиком, але лише частково. Ось ще одне джерело вібрацій для вас…
Дуже добре збалансовані двигуни V8 з включним кутом 90° і кривошипами колінчастого вала, які розташовані в двох взаємно перпендикулярних площинах. У такому моторі можна забезпечити рівномірне чергування спалахів, що також працює на плавність ходу. Неврівноваженими залишаються два моменти, які можна повністю вгамувати за допомогою двох противаг на колінчастому валу — на перетинках кінцевих циліндрів. Ви розумієте, чому американці раніше за інших відчули перевагу двигунів V? Вони дуже не люблять вібрації та тряски в своїх машинах…
Нарешті, можна говорити про незвичайні схеми. Спочатку згадаємо двигуни V4. Їх було небагато — європейський Ford зразка 60-х років (який встановлювали на Ford Taunus, Capri і Saab 96) і «диво-мотор» Запорожця. Для крутного моменту від сил інерції першого порядку тут був задіяний балансувальний вал. Однак конструктори вищезгаданих автомобілів обрали цю схему, виходячи з компактності та частково економії, а не заради гарного балансу.
А як щодо двигунів V-ten? Ступінь збалансованості таких двигунів точно така ж, як і у двигунів R5. Однак конструктори двигунів колишньої Формули-1 або монстрів Dodge Viper і Dodge RAM, де встановлюються мотори V10, не думали в першу чергу про вібрації.
Ну а інші схеми легко зводяться до попередніх. Наприклад, плоска вісімка (приклад застосування – гоночні автомобілі Porsche 917) – це два чотирициліндрових двигуна, що працюють на один колінчастий вал. А V-подібні та плоскі дванадцятициліндрові двигуни можна скоротити до двох рядних шестициліндрових двигунів.
VR6, VR5, W12
Знаєте, ми згадували V-подібні мотори з невеликим кутом нахилу блоку — як на Lancia. Раніше таких схем уникали — балансувати їх складніше, ніж мотори з кутом включення 60° чи 90°, та й виграш у компактності тоді не так цінувався…
Але зараз ситуація змінилася. По-перше, широко використовуються гідроопори силового агрегату, які значно гасять вібрації. По-друге, простір під капотом тепер на вагу золота. Адже хто раніше міг уявити скромний хетчбек з 2,8-літровим мотором? А тепер – ось воно! Все почалося з Volkswagen Golf VR6 третього покоління.
Подальшим розвитком V-подібних двигунів з малим кутом нахилу блоку став відомий двигун Volkswagen VR6, «V-образно-прямий» (так говорить позначення VR). Циліндри цього двигуна рознесені ще під меншим кутом, ніж у Lancia — лише на 15°. Кут настільки малий, що такий мотор ще називають «офсетно-прямий». Геніальне рішення — 2.8 шістка компактніша за звичайний двигун V6 і навіть має одну головку блоку!
Потім з’явився двигун VR5 — це VR6, у якого «відрізали» один циліндр. Після цього конструктори двигунів концерну Фольксваген ніби розгулялися.
Вони придумали суперкомпактний двигун W12, який дебютував у 1998 році на концепт-карі W12 Roadster. Це два двигуни VR6, встановлені під кутом 72° на один колінчастий вал. Але перед цим у виробництво надійшов двигун W8, який встановлювався на топову модель седана Passat. Також є два двигуни VR6, з яких «відрізані» два циліндри і які також об’єднані в один блок на одному колінчастому валу. Якось у Вольфсбурзі думали і про вісімнадцятициліндровий двигун — але врешті-решт зупинилися на W16 з чотирма турбокомпресорами, який розганяє Bugatti Veyron до 431 км/год.
Чому раніше не було таких двигунів? Подивіться, наприклад, на колінчастий вал двигуна W12 — технолог навіть у найстрашніших кошмарах не придумає такого! Творцям нових схем повинен допомогти комп’ютер. Дуже складно обійтися без допомоги обчислювальних потужностей, щоб розрахувати всі варіанти кута нахилу блоку, розташування шатунних цапф, порядок спалахів в циліндрах і вибрати найбільш збалансований.
Теорія і практика
Як бачите, при виборі схеми силового агрегату конструктори зовсім не ставлять на перший план ступінь збалансованості. Головне, вдало вписати в моторний відсік такий двигун, який буде мати найкраще співвідношення ваги, розмірів і потужності. Крім того, двигуни зараз все частіше будуються за модульним принципом. Простіше кажучи, на одній поршневій групі можна побудувати будь-який двигун — як трициліндровий, так і W12. Після Volkswagen все більше виробників переходять на модульні конструкції. Остання лінійка двигунів Mercedes є чудовим прикладом цього.
А вібрації… По-перше, необхідно розрізняти теоретичну і фактичну збалансованість двигуна. Якщо колінчастий вал в зборі з маховиком не відбалансований, а поршні з шатунами помітно відрізняються за вагою, то навіть рядну «шістку» буде трясти. У підсумку фактичний баланс завжди набагато гірший теоретичного – через відхилення деталей від номінальних розмірів і через деформацію вузлів під навантаженням. Так вібрації «вириваються» з двигуна назовні при будь-якій схемі. Тому таку увагу автомобілебудівники приділяють підвісці силового агрегату. Насправді конструкція і розташування опор двигуна є не менш важливим фактором, ніж ступінь збалансованості самого двигуна…
Це переклад. Оригінал можна прочитати тут: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html
Published October 28, 2021 • 26m to read
