mix-73 › Блог › Двигатели. Рядный? V-образный? «Оппозит»? Рядная восьмерка двигатель

ОПИСАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ V8 кому интересно тут для вас уважаемые автолюбители — DRIVE2

V-образный 8-цилиндровый двигатель — двигатель внутреннего сгорания с V-образным расположением восьми цилиндров двумя рядами по чV-образный 8-цилиндровый двигатель — двигатель внутреннего сгорания с V-образным расположением восьми цилиндров двумя рядами по четыре, и поршнями, вращающими один общий коленчатый вал. Часто его обозначают как V8 (англ. «Vee-Eight», «Ви-Эйт»)

Общий обзор ПравитьV8 — конфигурация, часто используемая в автомобильных двигателях большого рабочего объёма. Редкие V8 обладают рабочим объёмом менее трёх литров. Максимальный же рабочий объём современных серийных V8 для легковых автомобилей достигает 13 литров (малосерийная Weineck Cobra 780 cui). Получивший широкое распространение российский дизель ЯМЗ-238 имеет рабочий объём 14,9 л. На крупных тракторах и грузовых автомобилях встречаются двигатели V8 рабочим объёмом до 24 л.

V8 также часто используется в высших эшелонах автоспорта, особенно в США, где он обязателен в IRL, ChampCar и NASCAR. В 2006 году Формула 1 перешла на использование безнаддувного двигателя V8 объёмом 2,4 литра взамен 3-литровых V10, с целью снижения мощности автомобилей.

V8 объёмом всего лишь 500 см³ использовался на гоночном мотоцикле Moto Guzzi V8 1955 года; позже количество цилиндров на гоночных мотоциклах было ограничено.

Технические особенности ПравитьV8 — несбалансированный двигатель; в простейшем случае он представляет собой два рядных четырёхцилиндровых двигателя с общим коленвалом. При этом шатуны противоположных цилиндров имеют общие шатунные шейки коленвала, число шатунных шеек — 4. При этом центральные кривошипы коленвала направлены в одну сторону, а пара крайних развёрнуты на 180° относительно средних. В данной конфигурации неуравновешена горизонтальная сила инерции 2-го порядка поршней и верхних частей шатунов, вызванная несинусоидальным движением поршней. Данная сила инерции порождает высокочастотную вибрацию, которая проявляется в виде гула в салоне автомобиля. Уравновешивание данной силы требует применения двух балансировочных валов, вращающихся в 2 раза быстрее коленвала, в разные стороны. Поэтому такая конфигурация, как правило, применяется на высокооборотных двигателях гоночных автомобилей, например, Ferrari, где требования к вибронагруженности не так важны. К тому же она позволяет максимально облегчить коленвал, а также (благодаря равномерным интервалам чередования вспышек в каждом отдельном ряде цилиндров) применить простую и эффективную настроенную систему выпуска отработавших газов. В результате этого достигается кривая крутящего момента, сдвинутая к 7'000—8'500 мин−1, а на оборотах ближе к низким двигатель «спит», а настроенный выпуск дает характерное «формульное», «металлическое» звучание. Угол развала, как правило, 90°, обеспечивающий равномерные интервалы поджига смеси без применения смещённых шатунных шеек коленвала.

Однако в дорожных автомобилях обычно применяют иную конфигурацию коленвала, так называемый крестообразный коленвал, у которого крайние шатунные шейки повёрнуты относительно средних на угол 90° и развёрнуты на 180° друг относительно друга (средние шейки также развёрнуты на 180°). Шатуны противоположных цилиндров при этом также имеют общие шатунные шейки. В таком двигателе силы инерции 2-го порядка уравновешиваются взаимным движением поршней, однако силы инерции 1-го порядка, вызванные возвратно-поступательным движением поршней, вызывают момент инерции, который можно полностью скомпенсировать дисбалансом коленвала, создаваемым массивными противовесами, расположенными на крайних щёках коленвала (иногда дополнительно применяют маховик и шкив с дисбалансом). Таким образом, при угле развала цилиндров 90° удаётся полностью сбалансировать двигатель без применения балансировочного вала. При углах развала цилиндров, отличных от 90°, дополнительно используют балансировочный вал, вращающийся со скоростью коленвала, но в противоположную сторону. В двигателях V8 с данной конфигурацией коленвала вспышки в каждом отдельном ряде цилиндров чередуются с неравномерными интервалами, однако в целом они чередуются равномерно. Очерёдность работы левого и правого рядов при этом такая: Л-П-Л-Л-П-Л-П-П. Данная особенность усложняет систему выпуска, а также является причиной характерного «бормотания», «бульканья». Для настроенного выхлопа требуется связать вместе выхлопные трубы от отдельных рядов цилиндров, в результате они напоминают пучок змей, как в Ford GT40. Такая сложная система выпуска отработавших газов была основной проблемой для конструкторов одноместных гоночных автомобилей. Также массивные противовесы, требующиеся для балансировки, утяжеляют коленвал и не позволяют быстро ускориться или замедлиться. По этой причине данная конфигурация обычно не применяется на спортивных автомобилях. Обычно для таких V8 характерно обилие крутящего момента на низких и средних оборотах, и при применении схемы газораспределения OHV двигатель не развивает более 6'500 об/мин. Двигатели с такой характеристикой устанавливаются на американские автомобили. Так же, в наше время преимущественно пикапы и внедорожники, дорогие модели фирм Mercedes-Benz, Lexus с изменяемыми фазами газораспределения. Благодаря хорошей и ровной тяге такие моторы основную часть времени работают на небольших оборотах, что положительно сказывается на моторесурсе и акустическом комфорте. В паре с ними оптимально использование классической гидромеханической автоматической трансмиссии, так как потери в гидравлическом элементе при характерных для них значениях крутящего момента и небольших максимальных оборотах сравнительно невелики.

Углы развала ПравитьНаибольшее число производителей V8 использовали и используют угол развала в 90°.

Поскольку многие двигатели конфигураций V6 и V10 были созданы на базе V8, они также часто имеют угол развала 90°.

В качестве примера двигателя с отличным от 90° углом развала можно взять Ford/Yamaha V8, используемый в автомобиле Ford Taurus SHO. Он был разработан на базе мотора Ford Duratec V6 и имеет общий с ним угол развала в 60°. В нём для уравновешивания момента 1-го порядка применён балансировочный вал, а также для обеспечения равномерных интервалов поджига смеси используются смещённые шатунные шейки коленвала. Одна из версий этого двигателя используется в автомобилях Volvo начиная с 2005 года.

В автомобилях Lamborghini используется угол развала 88°.

История ПравитьВ 1902 году француз Леон Левассер (фр. Léon Levavasseur) получил патент на двигатель Antoinette V8, производство которого было начато в 1904 году. Он устанавливался на малые суда и самолёты.

В 1905 году английская фирма Rolls-Royce построила 3 экземпляра модели V8 с двигателем рабочим объёмом 3536 см³. Так как полная мощность этого мотора позволяла превысить установленную тогдашним британским законодательством для «самобеглых колясок» максимальную скорость в 20 миль в час (32 км/ч), на него устанавливался ограничитель оборотов. Удалось продать лишь один автомобиль (шасси 40518), да и он вскоре был возвращён фирме-изготовителю и отправлен в металлолом. Остальные использовались для демонстрации и в качестве транспорта для посетителей фабрики. 1905 Rolls-Royce V8 — единственная модель фирмы, ни одного экземпляра которой не сохранилось до наших дней.

В 1910 году французский производитель De Dion-Bouton представил публике 7'773-кубовый V8 для автомобиля. В 1912 году он был экспонатом выставки в Нью-Йорке, где вызвал неподдельный интерес у публики. И хотя сама фирма выпустила очень немного автомобилей с этим двигателем, в США идея V8 большого рабочего объёма «пустила корни» всерьёз и надолго. Правда, первый американский V8 разработала фирма Marmon ещё в 1904 году, но он был исключительно опытным и не предназначался для серийного производства.

Первым относительно массовым автомобилем с V8 стал Cadillac модели 1914 года. Двигатель имел объём 5'429 см³ и был нижнеклапанным, в первый же год было выпущено порядка 13 тысяч «Кадиллаков» с этим двигателем. Oldsmobile, другое подразделение GM, в 1916 году выпустил собственный V8 объёмом 4 литра. Chevrolet начал выпуск 4,7-литровых V8 в 1917 году, но в 1918 году фирма была включена в состав GM на правах подразделения и сосредоточилась на выпуске экономичных «народных» автомобилей, которым по понятиям тех лет V8 не полагался, так что производство двигателя было прекращено.

В сегмент недорогих автомобилей V8 перенесла фирма Ford с её Model 18 (1932). Технической особенностью двигателя этого автомобиля был блок цилиндров в виде одной чугунной отливки. Это нововведение потребовало значительного усовершенствования технологии литья. Достаточно сказать, что до 1932 года создание подобного двигателя представлялось многим технически невозможным. V-образные двигатели тех лет имели отдельные от картера цилиндры, что делало их изготовление сложным и дорогостоящим. Двигатель модели 18 получил название Ford Flathead и выпускался в США до 1954 года, когда его сменил верхнеклапанный Ford Y-Block, а в Европе и Бразилии — до начала 1960-х (на грузовиках — до начала 1990-х). На других американских автомобилях этого ценового сегмента (Plymouth, Chevrolet) V8 появились лишь в пятидесятые годы.

Начиная с 1930-х — 1940-х годов двигатели конфигурации V8 получили в Северной Америке очень широкое распространение. Вплоть до 1980-х годов версии, оснащённые двигателями V8, имели североамериканские модели всех классов, кроме субкомпактов. В частности, на конец 1970-х годов, до 80 % выпущенных в США легковых автомобилей имели двигатель конфигурации V8. Поэтому двигатели V8, как правило, ассоциируются именно с североамериканской автомобильной промышленностью, значительная часть терминологии так же имеет американское происхождение. Именно V8, в частности, снабжались в 60-е и начале 70-х годов так называемые «маслкары».

По такой же схеме строились (и продолжают строиться) советские карбюраторные двигатели типа ЗМЗ-53А (66, 511, 513, 523 и т. д.) и ЗИЛ-130, а также легковые автомобилей «Чайка» и ЗИЛ, причём двигатели выпуска Заволжского завода имеют алюминиевые гильзованные блоки цилиндров и доведены до требований норм Евро 4 (5).

В Европе же в довоенные и первые послевоенные годы такими двигателями оснащали преимущественно автомобили высших классов, собираемые в мизерных количествах вручную. Например, Tatra T77 (1934—1938) имела 3,4-литровый V8 и была выпущена в количестве всего 249 единиц[1].

В 1950-е годы в производственной программе европейских производителей премиум-сегмента появляются серийные модели с V8, например, BMW 502 или Facel Vega Excellence (последняя имела американский двигатель производства Chrysler). Но и тогда, и впоследствии они оставались на европейских легковых автомобилях относительно редкой экзотикой. После нефтяного кризиса начала 70-х же, двигатели большого рабочего объёма в Европе вообще сильно потеряли спрос, и после этого V8 встречались лишь на самых дорогих комплектациях автомобилях таких производителей категории «премиум», как BMW или Mercedes.

Автомобили фирмы Bentley (и, до недавнего времени, Rolls-Royce) оснащались и продолжают оснащаться моторами V8 серии L (от L410 1959 года до современного L410HT, 6,2—6,75 л). Что интересно, среди современных бензиновых моторов — это один из самых низкооборотистых двигателей. Несмотря на двойной турбонаддув, мотор имеет «красную зону» при 4,5 тыс. оборотов в минуту и холостой ход немногим больше 500 об/мин (большая часть современных дизельных двигателей обладает намного большими «скоростями работы»). Несмотря на то, что мотору более 50 лет, разработчики и инженеры добились от мотора с глубоко консервативной схемой клапанного механизма OHV (верхние клапаны, нижний распредвал, привод толкателями) изменяемых фаз газораспределения путём установки распредвала сложной формы.

Рядный восьмицилиндровый двигатель — конфигурация двигателя внутреннего сгорания с рядным расположением восьми цилиндров, и поршнями, вращающими один общий коленчатый вал. Часто обозначается I8 или L8 (Straight-8, In-Line-Eight).

Является полностью сбалансированной конфигурацией двигателя. По сравнению с рядным шестицилиндровым двигателем I8 совершает больше рабочих циклов в единицу времени, и, как следствие, работает более плавно под нагрузкой и не создаёт дополнительных вибраций в трансмиссии автомобиля на малых оборотах.

Вследствие этого, а также — благодаря простоте изготовления относительно V8, в прошлом (1920-е — 1950-е годы) рядные восьмёрки часто применялись на спортивных и дорогостоящих легковых автомобилях, особенно в США. В довоенные годы варианты комплектации с такими двигателями имели практически все американские автомобили среднего и высшего классов, за исключением марок Cadillac, Mercury и Lincoln, которые традиционно использовали только V8. Модели Buick имели верхнеклапанные I8, остальные марки использовали схему с нижним расположением клапанов. Первым серийным автомобилем с двигателем этой конфигурации был Packard Straight Eight модели 1923 года. В СССР двигатель такой компоновки использовался на автомобилях высшего класса Л-1, ЗИС-101 и ЗИС-110.

Однако большая длина такого двигателя требует длинного моторного отсека, что делает I8 неприемлемым для современных легковых автомобилей. Кроме того, длинные коленчатый и распределительные валы подвержены дополнительным торсионным (на скручивание) нагрузкам, что существенно снижает их ресурс, а при увеличении числа оборотов двигателя выше определённого предела из-за деформации коленчатого вала возникает риск физического контакта между шатунами и стенками картера, что приводит к выходу двигателя из строя.

По этим причинам использование конфигурации L8 всегда сводилось к двигателям большого рабочего объёма с небольшими максимальными оборотами. В настоящее время на автомобилях этот тип двигателя практически полностью вытеснен менее сбалансированным, но намного более компактным и лучше поддающимся форсированию V8, однако рядные 8-цилиндровые двигатели продолжают использоваться на тепловозах, судах и в стационарных установках.

www.drive2.ru

Двигатели. Рядный? V-образный? «Оппозит»? — DRIVE2

взято из: www.drive.ru/technic/2010/07/20/3453536.htmlначале XX века, когда конструкторская мысль бушевала вовсю, двигатель рабочим объёмом 10 л мог быть как одноцилиндровым, так, к примеру, и рядной «восьмёркой». Тогда никого особо не удивляли установленная на автомобиле рядная «шестёрка» объёмом 23 л или семицилиндровый звездообразный мотор с аэроплана…

Однако рост мощностей, оборотов и ожесточенная борьба за снижение себестоимости всё расставили по местам. Простейший одноцилиндровый мотор для автомобилестроителей остался в далёком прошлом. Средний объём цилиндра двигателя обычного автомобиля сейчас — от трёхсот до шестисот кубических сантиметров. Литровая мощность — от 35 л.с./л для безнаддувного дизеля до 100 л.с./л для форсированного бензинового «атмосферника». Для серийных двигателей это оптимум, выходить за рамки которого просто невыгодно.

Очень маленькие цилиндры часто встречаются на японских микролитражках: например, объём рядной «четвёрки» у Subaru R1 — всего 658 см³. Из «европейцев» отличился трёхцилиндровый дизельный Smart — 799 «кубиков». Есть цилиндры-напёрстки и у «корейцев»: трехцилиндровый Matiz — это 796 «кубиков», а четырёхцилиндровый — 995. «Четвёркой» объёмом 1086 см³ оснащаются Hyundai i10 и Kia Picanto. На другом полюсе — конечно же «американцы». Объём V-образной «восьмёрки» купе Chevrolet Corvette Z06 составляет 7011 см³. Хотя японцы, например, оснащали внедорожник Nissan Patrol предыдущего поколения рядной «шестёркой» TB48DE объёмом 4758 «кубиков».

Сегодня двигатель мощностью 100 л.с. в большинстве случаев окажется четырёхцилиндровым, у 200-сильного будет четыре, пять или шесть цилиндров, у 300-сильного — восемь… Но как эти цилиндры расположить? Иными словами — по какой схеме строить многоцилиндровый двигатель?

Простота хуже компактности

О чём болит голова у конструктора? Во-первых, о том, как упростить конструкцию двигателя, чтобы он был дешевле в производстве и легче в обслуживании. Самый простой двигатель — рядный (мы будем обозначать такие моторы индексами R2, R3, R4 и т. д.). Располагаем в ряд нужное количество цилиндров — получаем необходимый рабочий объём.

Двигатель R3 (А). Угол между кривошипами — 120°.Добиться равномерности вспышек в двухцилиндровом двигателе (В) можно только при двухтактном цикле.А такой мотор ©, например, стоит на «Оке». Поршни движутся синфазно.Двух- и трёхцилиндровые двигатели встречаются на автомобилях нечасто, хотя мода на «двухгоршковые» моторчики набирает обороты. Тому способствуют продвинутые системы смесеобразования и применение турбонаддува (как, например, на 85-сильной двухцилиндровой турбоверсии хэтчбека Fiat 500). А вот рядная «четвёрка» попала в самый массовый диапазон рабочего объёма легковых автомобилей — от 1,0 до 2,4 л.

В современных четырёхтактных двухцилиндровых двигателях, вроде турбомотора Фиата 500, проблему вибраций отчасти решает балансирный вал.

Пятицилиндровые рядные моторы появились на серийных автомобилях сравнительно недавно — в середине 70-х годов. Первым был Mercedes-Benz со своими дизельными «пятёрками» — они появились в 1974 году (на модели 300D с кузовом W123). Через два года увидел свет пятицилиндровый двухлитровый бензиновый двигатель Audi. А в конце 80-х годов такие моторы сделали Volvo и FIAT.

Рядные «шестёрки», до недавнего времени столь популярные в Европе, нынче во мгновение ока стали вымирающим видом. А про рядную «восьмёрку» и говорить нечего — с ней практически распрощались еще в 30-х годах. Почему?

Ответ прост. С ростом числа цилиндров двигатель становится длиннее, и это создаёт массу неудобств при компоновке. Например, втиснуть поперёк моторного отсека переднеприводного автомобиля рядную «шестёрку» удавалось в считанных случаях — можно припомнить лишь английский Austin Maxi 2200 середины 60-х годов (тогда конструкторам пришлось спрятать коробку передач под двигателем) и Volvo S80 с суперкомпактной коробкой передач.

Два мотора R3, составленные друг за другом, дают великолепный результат — абсолютно уравновешенную рядную «шестёрку».

Как укоротить рядный мотор? Его можно «распилить» пополам, поставить две половинки рядом друг с другом и заставить работать на один коленвал. Такие моторы, у которых цилиндры расположены в виде латинской буквы V, вдвое короче рядных — наибольшее распространение получили двигатели с углом развала блока 60° и 90°. А V-образный мотор с углом развала блока 180°, в котором цилиндры расположены друг против друга, называют оппозитным (или «боксером» — обозначения В2, В4, В6 и т. д. происходят именно от слова boxer).

Такие моторы сложнее рядных — например, у них две головки цилиндров (каждая со своей прокладкой и коллекторами), больше распредвалов, сложнее схема их привода. А оппозитные двигатели ещё и занимают много места в ширину. Поэтому из компоновочных соображений они применяются довольно редко — производителей «боксеров» можно пересчитать по пальцам.

А как сделать V-образный двигатель еще компактнее? Одно из простых, на первый взгляд, решений — установить угол развала блока менее 60°. Действительно, такие моторы были, но редко — можно вспомнить, например, автомобили Lancia Fulvia 70-х годов с моторами V4, угол развала блока которых составлял 23°. Почему же этим не пользовались все? Дело в том, что перед конструктором двигателя всегда стоит ещё одна проблема — вибрации.

О силах и моментах

Вообще без вибраций поршневой двигатель внутреннего сгорания работать не может — так уж он устроен. Но бороться с ними нужно, и не только для повышения комфорта пассажиров. Сильные неуравновешенные вибрации могут вызвать разрушения деталей мотора — со всеми вылетающими и выпадающими оттуда последствиями…Отчего возникают вибрации? Во-первых, в некоторых схемах двигателей вспышки в цилиндрах происходят неравномерно. Таких схем конструкторы по возможности избегают или стараются делать массивней маховик — это помогает сгладить пульсации крутящего момента. Во-вторых, при движении поршней вверх-вниз они то разгоняются, то замедляются, из-за чего возникают силы инерции — сродни тем силам, что заставляют пассажиров автомобиля кланяться при торможении или вдавливают их в спинки сидений при разгоне. В-третьих, шатун в двигателе движется вовсе не вверх-вниз, а совершает сложное движение. Да и возвратно-поступательное перемещение поршня от верхней мёртвой точки к нижней тоже нельзя описать простой синусоидой.

Силы инерции от двух масс, вращающихся на одном валу поодаль друг от друга, создают свободный момент.В простейшем моторе есть свободные силы инерции, но нет моментов. Цилиндр-то один.Поэтому среди сил инерции появляются составляющие с удвоенной, утроенной, учетверённой частотой вращения коленвала… Этими так называемыми силами инерции высших порядков, как правило, пренебрегают — они по сравнению с основной силой инерции (которой присвоили первый порядок) очень малы. Исключение составляют силы инерции второго порядка, с которыми приходится считаться. Плюс к этому, пары сил, приложенные на определённом расстоянии, образуют моменты — так происходит, когда в соседних цилиндрах силы инерции направлены в разные стороны.

Что сделать для того, чтобы уравновесить силы и моменты? Во-первых, можно выбрать схему мотора, в которой цилиндры и кривошипы коленчатого вала расположены таким образом, что силы и моменты взаимно уравновесят друг друга — всегда будут равны и направлены в противоположные стороны.

Яркий представитель вымершего племени автомобилей с рядной «восьмёркой» — модель 1930-х годов Alfa Romeo 8C.

А если ни одна из уравновешенных схем не подходит — например, из компоновочных соображений? Тогда можно попытаться по-другому расположить шейки коленвала и применить всякого рода противовесы, создающие силы и моменты, равные по величине, но противоположные по направлению основным уравновешиваемым силам. Иногда это можно сделать, разместив противовесы на коленчатом валу мотора. А иногда — на дополнительных валах, которые называют балансирными валами противовращения. Называются они так потому, что крутятся в другую сторону, нежели коленвал. Но это усложняет и удорожает двигатель.

Чтобы облегчить описание степени уравновешенности разных двигателей, мы подготовили сводную таблицу. Зелёным в ней выделены самоуравновешенные силы и моменты, а красным — свободные (те, что не уравновешены и вырываются на свободу — через опоры силового агрегата проходят на кузов автомобиля).

Степень уравновешенности (зелёная ячейка — уравновешенные силы или моменты, красная — свободные)1 R2 R2* V2 B2 R3 R4 V4 B4 R5 VR5 R6 V6 VR6 B6 R8 V8 B8 V10 V12 B12Силы инерции первого порядкаСилы инерции второго порядкаЦентробежные силы**Моменты от сил инерции первого порядкаМоменты от сил инерции второго порядкаМоменты от центробежных сил

* Поршни в противофазе.** Уравновешиваются противовесами на коленчатом вале.

Что же получается? Из распространённых типов двигателей абсолютно уравновешенных всего два — это рядная и оппозитная «шестёрки». Теперь понимаете, почему BMW и Porsche так крепко держатся за такие моторы? Ну а о причинах, по которым от них отказываются остальные, мы уже упоминали. Теперь рассмотрим поподробнее остальные схемы.

Шестицилиндровый «оппозитник» водяного охлаждения Porsche. С левой и правой сторон блока в целях экономии стоят одинаковые головки, поэтому цепные приводы распредвалов пришлось устраивать и спереди, и сзади.

Уравновешенные и не очень

Из двухцилиндровых двигателей на автомобилях нынче применяется только один — двухцилиндровый рядный мотор с коленчатым валом, у которого кривошипы направлены в одну сторону (такой, например, стоял на отечественной «Оке»). Как видно, этот двигатель по степени уравновешенности похож на одноцилиндровый, поскольку оба поршня движутся вверх и вниз одновременно, в фазе. Для того чтобы уравновесить свободные силы инерции первого порядка, в моторе «Оки» слева и справа от коленвала применялись два вала с противовесами. А как же быть с силами второго порядка? Для того чтобы с ними справиться, пришлось бы добавить ещё два балансирных вала, что на двухцилиндровом моторе, изначально предназначенном для маленьких и дешёвых автомобилей, было бы совершенно неуместным.

Впрочем, это ещё ничего — много двухцилиндровых моторов выпускалось вообще без балансирных валов. Так было, например, на малышках Fiat 500 образца 1957 года. Да, вибрации были, их старались погасить подвеской силового агрегата… Но мотор зато получался простым и дешёвым! Дешевизна двухцилиндровых двигателей соблазняет разработчиков и сегодня: не зря же эту схему использовали создатели самого доступного автомобиля планеты, индийского хэтчбека Tata Nano.

Машин с оппозитной «двойкой» — по экономическим и компоновочным соображениям — было немного. Можно упомянуть, например, французский Citroen 2CV.

Двухцилиндровый двигатель, у которого кривошипы направлены в разные стороны (под углом 180°), можно встретить сегодня только на мотоциклах. Поскольку поршни в нём всегда движутся в противофазе, то он уравновешен лучше. Однако равномерного чередования вспышек в цилиндрах можно добиться только на двухтактных моторах — такие двигатели устанавливались на довоенные DKW и их прямых наследников, пластиковые гэдээровские Трабанты. По причине простоты и дешевизны никаких балансирных валов на них тоже не было, а с возникающими вибрациями просто мирились.

Автомобиль с двухцилиндровым V-образным мотором припоминается только один — отечественный НАМИ-1. А до наших дней этот тип двигателя дожил только на мотоциклах — вспомните американский Harley Davidson и его японских последователей с их V-образными «двойками» во всей хромированной красе. Такой мотор можно уравновесить практически полностью с помощью противовесов на коленчатом валу, но достичь равномерного чередования вспышек невозможно. Хорошо, что байкеры особого внимания на вибрации не обращают…

НАМИ-1 — прототип 1927 года.

Трёхцилиндровый двигатель уравновешен хуже, чем рядная «четвёрка», и поэтому производители трёхцилиндровых моторов — например, Subaru и Daihatsu — стараются оснащать их балансирными валами. В своё время опелевские двигателисты решили отказаться от балансирного вала, разрабатывая трёхцилиндровый мотор семейства Ecotec для Корсы второго поколения — в целях удешевления и уменьшения механических потерь. И трёхцилиндровая Corsa после дебюта в 1996-м была раскритикована немецкими автожурналистами: «По городу на переменных режимах ездить совершенно невозможно».

В самой популярной среди двигателистов рядной «четвёрке» остаётся свободной сила инерции второго порядка. Её можно уравновесить только балансирным валом, вращающимся с удвоенной скоростью. (Вы не забыли — сила инерции второго порядка действует с удвоенной частотой?) А для компенсации момента от балансирного вала придётся ставить ещё один, вращающийся в противоположную сторону. Дорого? Безусловно. Однако моторы с балансирными валами можно встретить на автомобилях Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat и самых разных марок концерна Volkswagen.

Пример рядной «четвёрки» с балансирными валами — двухлитровый двигатель Audi. Валы располагаются по обе стороны от коленвала и с удвоенной скоростью вращаются в противоположные стороны. Здесь балансирные валы расположены снизу и соединены зубчатой передачей, а раньше (как, например, на приведённом на картинке внизу двигателе Saab 2.3) их располагали сверху и у каждого был свой шкив цепного привода.

Кстати, оппозитная «четвёрка» уравновешена лучше, чем рядная, — здесь есть только момент от сил инерции второго порядка, который стремится развернуть двигатель вокруг вертикальной оси. Однако и «оппозитник» воздушного охлаждения легендарного «Жука», и знаменитые «боксеры» Subaru обходились и обходятся без балансирных валов.

Subaru из компоновочных соображений предпочитает рядной «четвёрке» оппозитную. Что до вибраций, то силы инерции второго порядка у «боксера» уравновешены, но момент от них всё же остаётся свободным.

У рядных «пятёрок» с уравновешенностью дела обстоят не очень. Силы инерции компенсируются, но вот моменты от этих сил… Во время работы двигателя по блоку постоянно «пробегает» волна изгибающего момента, поэтому блок должен быть весьма жёстким. Однако и Mercedes-Benz, и Audi, и Volvo борются с вибрациями, дорабатывая подвеску силового агрегата или применяя специальные противовесы (как у наддувной «пятёрки» 2.5 TFSI на Audi TT RS). И только фиатовские мотористы применяли балансирный вал, который полностью уравновешивал все моменты.

На картинке FIAT JTD от хэтчбека Croma — потомок пятицилиндрового турбодизеля Fiat TD 125 объёмом 2387 см³, образованного путём добавления одного цилиндра к 1,9-литровой «четвёрке» TD 100. Балансирный вал — слева, в нижней части картера.Под каким углом расположить кривошипы коленвала рядной «пятёрки»? 360° делим на пять… Правильно — 72°!Кстати, практически все «пятёрки» образованы путём прибавления ещё одного цилиндра к четырёхцилиндровому двигателю — как кубики в конструкторе. Делают это для того, чтобы с минимальными производственными и конструкторскими затратами получить более мощные моторы. При этом всю начинку, включая поршни, шатуны, клапаны и т. д., можно взять от «четвёрки». Понадобятся иные блок и головка цилиндров и, само собой, коленчатый вал, кривошипы которого должны быть расположены под углом в 72°.

О шестицилиндровых моторах — мечте с точки зрения уравновешенности — мы уже упоминали. А вот в моторах V6, которые вытесняют рядные «шестёрки», ситуация с уравновешенностью такая же, как у «трёшки», то есть не ахти. Поэтому, например, балансирным валом в развале блока цилиндров был оснащён самый первый двигатель V6 фирмы Mercedes-Benz — заслуженный М112 с тремя клапанами на цилиндр. У трёхлитровой «шестёрки» концерна PSA вал находился в одной из головок блока. На других моторах того времени инженеры пытались не усложнять конструкцию и старались свести уровень вибраций к минимуму за счёт усовершенствованной подвески силового агрегата и хитроумного смещённого расположения шатунных шеек коленчатого вала (как, например, на Audi V6).

В моторе V6 с углом развала блока 90° сдвоенные кривошипы расположены под углом 120°. А в моторах с развалом 60° каждый шатун приходится устанавливать на своём кривошипе.Для уравновешивания свободного момента от сил второго порядка мотору V6 90° необходим один балансирный вал (показан стрелкой). В двигателе Citroen 3.0 V6 он был установлен в одной из головок блока.

У новейших мерседесовских двигателей V6 угол развала блока сократился до 60°, в результате чего необходимость в балансирном вале отпала.

Добавим сюда ещё одно замечание — в моторах V6 с развалом в 90° не обеспечивается равномерное чередование вспышек в цилиндрах. Возникающая неравномерность хода может компенсироваться за счёт утяжелённого маховика, но лишь отчасти. Вот вам и ещё один источник вибраций…

Двигатели V8 с углом развала цилиндров в 90° и коленвалом, кривошипы которых располагаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, весьма неплохо уравновешены. В таком моторе можно обеспечить равномерное чередование вспышек, что тоже работает на плавность хода. Остаются неуравновешенными два момента, которые можно полностью утихомирить с помощью двух противовесов на коленчатом валу — на щеках крайних цилиндров. Понимаете, почему американцы раньше других прочувствовали всю прелесть V-образных моторов? Вибрации и тряски в своих автомобилях они очень не любят…

Двигатель V8: и развал блока, и угол между кривошипами — 90°.

Напоследок можно поговорить о схемах необычных. Сначала вспомнить о моторах V4. Таких было немного — европейский Ford образца 60-х годов (который стоял на автомобилях Ford Taunus, Capri и Saab 96) да чудо-двигатель отечественного «Запорожца». Здесь не обошлось без уравновешивающего вала для момента от сил инерции первого порядка. Впрочем, конструкторы вышеупомянутых автомобилей выбирали эту схему из условий компактности и отчасти экономии, а не за хорошую уравновешенность.

Ford и ЗАЗ выбрали экзотику: мотор V4, в котором и угол развала блока, и угол между кривошипами составляют 90°.Угол развала цилиндров моторов V2 колеблется от 25° до 90°.А что насчёт V-образных «десяток»? Как можно видеть, степень уравновешенности таких моторов точно такая же, как и у моторов R5. Впрочем, конструкторы прежних моторов Формулы-1 или монстров Dodge Viper и Dodge RAM, где стоят двигатели V10, о вибрациях думали далеко не в первую очередь.

Как жаль, что Viper и его коллосальный V10 — уже история.

Двигателями V10 отметилась целая череда знаковых машин: BMW M5, Audi S6 и S8, а также RS6 с наддувной «десяткой». Не говоря уже об автомобилях Lamborghini. Наконец, Lexus LFA тоже оснащается двигателем V10.

Ну а прочие схемы легко свести к предыдущим. Например, оппозитная «восьмёрка» (пример применения — гоночные болиды Porsche 917) — это две «четвёрки», работающие на один коленвал. А V-образный и оппозитный двенадцатицилиндровые двигатели можно свести к двум рядным «шестёркам».

VR6, VR5, W12…

Помните, мы упоминали о V-образных моторах с малым углом развала блока — как на Лянчах? Раньше таких схем избегали — уравновесить их сложнее, чем моторы с развалом в 60° или 90°, а выигрыш в компактности тогда ценили не так…Но теперь ситуация изменилась. Во-первых, повсеместно применяются гидроопоры силового агрегата, которые значительно ослабляют вибрации. Во-вторых, пространство под капотом нынче на вес золота. Ведь кто раньше мог себе представить скромный хэтчбек с 2,8-литровым мотором? А теперь — пожалуйста! Всё началось с Фольксвагена Golf VR6 третьего поколения.

Знаменитый фольксвагеновский двигатель VR6, «V-образно-рядный» мотор (об этом и говорит обозначение VR), стал дальнейшим развитием V-образных двигателей с малым углом развала блока. Цилиндры этого мотора разведены на ещё меньший угол, чем на Лянчах, — всего на 15°. Угол настолько мал, что такой мотор называют ещё «смещённо-рядным». Гениальное решение — «шестёрка» 2.8 компактнее, чем обычный мотор V6, да ещё и имеет одну головку блока! Потом появился двигатель VR5 — это VR6, от которого «отрезали» один цилиндр. После этого мотористы концерна Volkswagen вообще словно с цепи сорвались.

Двигатель VR5 2.3 конструкторы Фольксвагена получили, отняв один цилиндр от мотора VR6. Угол развала компактного блока — 15°, все пять цилиндров укрыты одной головкой блока.

Они придумали суперкомпактный двигатель W12, который дебютировал в 1998 году на концепт-каре W12 Roadster. Это два двигателя VR6, установленные под углом 72° на одном коленвале. Но прежде в серию пошёл мотор W8, которым оснащалась топ-модель седана Passat. Там тоже два мотора VR6, от которых «отрезано» по два цилиндра и которые тоже объединены в одном блоке на одном коленвале. Когда-то в Вольфсбурге подумывали и о восемнадцатицилиндровом двигателе — но в итоге остановились на W16 с четырьмя турбокомпрессорами, который разгоняет Bugatti Veyron до 431 км/ч.

Супермотор W12, показанный на концепте имени себя, приводит в движение представительские модели фирм Audi, Volkswagen и Bentley. На фото хорошо видно шахматное расположение цилиндров пары блоков, объединённых в одной отливке под углом 72°. Длина 420-сильного мотора — всего 51 см, ширина — 70 см.

Почему же таких моторов не было раньше? Взгляните, к примеру, на коленвал двигателя W12 — такое технологу и в страшном сне не приснится! Создателям новых схем должен помогать компьютер. Чтобы просчитать все варианты угла развала блока, расположения шатунных шеек, порядка вспышек в цилиндрах и выбрать самый уравновешенный, без помощи вычислительных мощностей обойтись очень сложно.

Теория и практика

Как видно, при выборе схемы силового агрегата конструкторы ставят во главу угла вовсе не степень уравновешенности. Главное — это удачно вписать в моторный отсек такой двигатель, который будет обладать наилучшим соотношением массы, размеров и мощности. Потом, двигатели сейчас всё чаще строятся по модульному принципу. Говоря упрощённо, на одной поршневой группе можно построить любой мотор — и трёхцилиндровый, и W12. Вслед за Фольксвагеном на модульные конструкции переходит всё больше производителей. Новейшая линейка моторов Mercedes — тому отличное подтверждение.А вибрации… Во-первых, следует различать теоретическую и действительную уравновешенность двигателя. Если коленчатый вал в сборе с маховиком не отбалансирован, а поршни и шатуны заметно отличаются по массе, то трясти будет даже рядную «шестёрку». А потом, действительная уравновешенность всегда значительно хуже теоретической — по причинам отклонения деталей от номинальных размеров и из-за деформации узлов под нагрузкой. Так что вибрации «прорываются» из двигателя наружу при любой схеме. Поэтому автомобильные инженеры и уделяют такое внимание подвеске силового агрегата. На самом деле конструкция и расположение опор двигателя — не менее важный фактор, чем степень уравновешенности самого мотора…

Материал адаптирован к публикации с разрешения ООО «Газета «Авторевю». Все права на перепечатку принадлежат Авторевю.

www.drive2.ru

Десятка лучших двигателей V8 Made in USA — DRIVE2

Всем всего, сегодня представляю Вам интересную статью о двигателях V8.

Сегодня мы поговорим о десяти двигателях, ставшими уже классикой.Если взглянуть на автомобильный мир, становится очевидно, что двигатели V8 — исключительно американское изобретение. Безусловно, сегодня Вы сможете найти V8, по всем миру, однако не будем отрицать, что США — родной дом этих моторов.

а вот и наш топ:

Ford Flathead

Летом 1929, Генри Форд набрал небольшую группу инженеров и механиков из основного отдела проектирования на Оуквуд авеню и отправил их в лабораторию Эдисона в Гринфилд Виллэдж. Там, в обстановке строжайшей секретности, они создали ’32 Ford L-head V8. Первый двигатель выдавал 65 лошадиных сил при объёме 3,6 литра, позднее он был улучшен до отдачи в 85 лошадиных сил посредством установки двухкамерного карбюратора и модернизированной системы впуска.

Вопреки расхожему мнению, Ford Flathead не был первым американским V8. Однако он был первым двигателем с реальным потенциалом для улучшений, и, что немаловажно, первым доступным двигателем. Миллионы их были выпущены между 1932 и 1953 годами, дав хотрод движению неограниченный материал для экспериментов, открыв для хотроддеров улицы, дёрт-трэки и высохшие соляные озера.

Chrysler First-Gen Hemi

Когда Chrysler Hemi V8 был представлен в 1951, его объём, 5,4 литра, был идентичен объёму двигателя от Cadillac. Простое совпадение или же камень в сторону Cadillac? При всём при этом инженеры Chrysler обошли Cadillac в вопросе компрессии, разработав полусферическую камеру сгорания, тем самым получив внушительную отдачу от двигателя в условиях использования обычного низко-октанового бензина.

Между тем, большие клапаны и прямые впускные каналы круглой формы сделали двигатель способным переварить гораздо больший объем поступающего воздуха в сравнении с конкурентами. Вкупе с усиленными шатунами Hemi получился отлично приспособленным к тяжелым нагрузкам и впрыску смеси с высокой объемной долей нитрометана. Dodge и DeSoto также предложили свои версии Hemi, и Chrysler наконец-то избавился от ярлыка «автомобилей для стариков», которые всегда были отлично спроектированы, но скучны.

Cadillac OHV

Одно очень технологически важное последствие Второй Мировой войны, которое довольно часто упоминают — доступное высокооктановое топливо. Новые технологии нефтепереработки, разработанные специально для авиационной промышленности, сделали возможным существенно повысить степень сжатия смеси в цилиндре. После войны Cadillac решили применить этот потенциал в автомобилестроении и запустили в массовое производство первый двигатель с верхним расположением клапанов OHV V8.

Гонщик Бриггз Каннингем (Briggs Cunningham) использовал именно эти двигатели в Ле Мане, за счет чего устроил там немалую шумиху. 5,4 литровый V8 от Cadillac быстро завоевал сердца хотроддеров. Стали появляться Форды с двигателем Cadillac, которые стали называть Fordillacs, а также гибриды Cadillac и Studbaker получившие название Studillacs.

Chevy Small-Block

Представив в 1949 году революционный OHV, GM вышли на новый уровень в 55 году, явив миру более лёгкий и дешёвый по сравнению со своим предшественником Chevy Small Block. При его производстве использовался новаторский процесс литья вмокрую, который требовал всего 9 блочных сердечников взамен 22, необходимых в процессе изготовления OHV.Эту технологию изобрёл Джон Дольца (John Dolza), итальянский иммигрант и гениальный механик, который также был создателем Рочестерского впрыска для Chevrolet Corvette. В Chevy Small Block использовались дешевые штампованные привода клапанов, которые, несмотря на видимую неубедительность, на деле превосходно себя проявили, позволив вывести Chevrolet на новый уровень. Несмотря на то, что в наши дни Chevy Small Block не демонстрирует каких-либо сверхъестественных характеристик, это мотор давно завоевал сердца многих автомобильных энтузиастов.

Ford FE

Представленный в 1958 году в версии с объемом 5.4 литра, фордовский FE V8 впоследствии вырос до 5.7л, 6.4л, 6.6л, и наконец 7.0-литрового агрегата, выступающего в качестве флагманского двигателя во всемирной программе Форда Total Performance в 1960-х. Именно благодаря этому мотору, успех сопутствовал компании Форд на соревнованиях по всему миру: NASCAR, драг-рэйсинг, даже 24 часа Ле Мана, где он с легкостью расправился с экзотичными V12 Феррари в 1966 и 1967.Форд впоследствии выпустил верхневальную версию своего FE: легендарный 427 SOHC. И после отказа NASCAR от использования SOHC V8, двигателю нашли применение в драг-рэйсинге, где он отлично зарекомендовал себя в FX, Funny Car, и даже в Top Fuel классах.

Chrysler Second-Gen HemiС семилитровым Hemi второго поколения в 1964, Том Гувер (Tom Hoover) и его команда инженеров Крайслер заставили молнию ударить в одно и то же место второй раз. В поисках конкурентных преимуществ в NASCAR и драг-рейсинге, они решили оставить конструкцию головок блока от оригинального Hemi 51-58 годов и адаптировать её к шорт-блоку B/RB. В дальнейшем мотор подвергся некоторым доработкам, чтобы позволить этому гигантскому агрегату разместиться на раме пассажирского авто, но, к удивлению Гувера, на результаты тестов на стенде это абсолютно не повлияло.Второй Hemi устроил настоящую феерию на Daytona 500 в 1964, задымив шоу настолько, что использование двигателя было на время запрещено NASCAR, что не помешало этому двигателю продемонстрировать практически недостижимые для конкурентов результаты в NHRA Pro Stock. Даже сегодня, спустя половину столетия с его появления, чуть ли ни каждый двигатель в Top Fuel и Funny Car обладает базовой архитектурой Hemi второго поколения.

Ford Windsor

Изначально известный как V8 с углом развала цилиндров в 90 градусов, Windsor был представлен в 1962 году на новом Ford Fairlane. Его объём был всего 3.6 литра, что явно нас отсылает к оригинальному Flathead V8 1932 года, но во всех остальных отношениях двигатель был совершенно инновационным, сказав новое слово в технологии тонкостенного литья и проектировании ГРМ. На фото изображен ранний тестовый двигатель с направленными вверх выхлопными патрубками.Десятилетия спустя Windsor V-8 обрёл новую жизнь в Mustang 5.0 GT. Забавные, дешевые и быстрые Мустанги постоянно появлялись на драгстрипах 90-х, давая толчок для развития хотроддинга. Этот же двигатель стал более чем конкурентоспособным в NASCAR и в 21 веке, выигрывая гонки Sprint Cup до недавнего времени.

Chevy Big-Block

Chevy Big-Block впервые появился на Дайтоне в начале 1963, после чего GM внезапно закончила выступление в гонках. Практически сразу же и 7.0-литровый мотор с наклонными клапанами пропал из вида так быстро, что снискал славу «таинственный мотора». Когда же в 1965 году появилась серийная версия двигателя, ореол таинственности был развеян, что, в общем, никак не отразилось на его мощи. Линейка для легковых автомобилей была представлена моторами объемом 6.5 л, 7.0 л, и убийственными 7.4 литра, именно благодаря которым Chevy Big-Block по праву стал считаться иконой эры маскл-каров.

Chevy Big-Block царил в гоночных сериях Can-Am, а двигатели построенные на его базе продолжают доминировать в NHRA Pro Stock и других высокообъмных классах драг-рейсинга. Вы уже вряд ли когда-либо сможете приобрести пассажирский автомобиль от GM с Big-Block на борту, однако Chevrolet Performance всё ещё может предложить Вам короля всех заводских двигателей — это 9.4-литровый, 720-сильный монстр.

Chevrolet LS-seriesЕсли оригинальный small-block определил развитие для V8 с распредвалом в блоке цилиндров, то двигатели LS-серии продвинулись в этом направлении на принципиально новый уровень. 16 клапанный архаичный V8 был просто не в состоянии конкурировать с современными DOHC двигателями с четырьмя клапанами на цилиндр, однако легкий и компактный LS позволил стать Corvette пятого и шестого поколения спорткарами мирового уровня без всяких оговорок.

Отлично звучащий, превосходно сконструированный, продвинутый во всех аспектах LS установил новую планку технического потенциала в хотроддинге. Для стоковых автомобилей топовые варианты LS это 7.0 литровый LS7 (на картинке), 550-сильный LSA и 638-сильный LS9 с механическим нагнетателем. Если говорить о потенциале этого мотора в контексте тюнинга, то он просто безграничен.

Ford ModularПервый крупносерийный двигатель с расположением распредвалов внутри головок, сошедший с конвейера Большой Тройки, Ford Modular V8 увидел свет в 1991 году. Вариаций этого мотора существует огромное множество: с двумя, тремя или четырьмя клапанами на цилиндр; с одним или двумя распредвалами на ряд цилиндров, с алюминиевым или стальным блоком, как атмосферные, так и с механическим наддувом. Последние фордовские восьмерки, такие как 5.0-литровый Coyote и Boss 302, настолько модифицированы, что появляются некоторые вопросы касательно их родословной. Но справедливости ради стоит заметить, что в их конструкции сохранено большинство базовых аспектов, которые присущи другим представителям семейства Ford Modular V8.Последние V8 могут выдавать более 100% объемной производительности уже в стоковом варианте, и они были спроектированы полностью защищёнными и готовыми к прямому впрыску топлива и увеличению мощности посредством установки различных систем наддува. В эти моторы был заложен потенциал для широкого использования, которого с лихвой хватит еще на несколько лет вперед. Между прочим, сегодняшние modular V8 как, например, 5.4-литровый V8 с нагнетателем, используемый в драговой комплектации Cobra Jet Mustang (на картинке) продолжает участвовать и выигрывать в различных соревнованиях, как например, на вступительной гонке Factory Stock Showdown чемпионата U.S. Nationals в 2012.

Ну на этом наш топ заканчивается, всем спасибо за внимание.

www.drive2.ru

Двигатели. Рядный? V-образный? «Оппозит»? — DRIVE2

Алексей Воскресенский, Леонид Голованов (Авторевю), 20 июля 2010.Иллюстрации DRIVE.RU и фирм-производителей

Рядный шестицилиндровый двигатель — редкий пример абсолютно уравновешенного мотора. Вымирающий вид. А какой ещё архитектуры бывают ДВС и на что она влияет?

Вначале XX века, когда конструкторская мысль бушевала вовсю, двигатель рабочим объёмом 10 л мог быть как одноцилиндровым, так, к примеру, и рядной «восьмёркой». Тогда никого особо не удивляли установленная на автомобиле рядная «шестёрка» объёмом 23 л или семицилиндровый звездообразный мотор с аэроплана…

Однако рост мощностей, оборотов и ожесточенная борьба за снижение себестоимости всё расставили по местам. Простейший одноцилиндровый мотор для автомобилестроителей остался в далёком прошлом. Средний объём цилиндра двигателя обычного автомобиля сейчас — от трёхсот до шестисот кубических сантиметров. Литровая мощность — от 35 л.с./л для безнаддувного дизеля до 100 л.с./л для форсированного бензинового «атмосферника». Для серийных двигателей это оптимум, выходить за рамки которого просто невыгодно.

Очень маленькие цилиндры часто встречаются на японских микролитражках: например, объём рядной «четвёрки» у Subaru R1 — всего 658 см³. Из «европейцев» отличился трёхцилиндровый дизельный Smart — 799 «кубиков». Есть цилиндры-напёрстки и у «корейцев»: трехцилиндровый Matiz — это 796 «кубиков», а четырёхцилиндровый — 995. «Четвёркой» объёмом 1086 см³ оснащаются Hyundai i10 и Kia Picanto. На другом полюсе — конечно же «американцы». Объём V-образной «восьмёрки» купе Chevrolet Corvette Z06 составляет 7011 см³. Хотя японцы, например, оснащали внедорожник Nissan Patrol предыдущего поколения рядной «шестёркой» TB48DE объёмом 4758 «кубиков».

Сегодня двигатель мощностью 100 л.с. в большинстве случаев окажется четырёхцилиндровым, у 200-сильного будет четыре, пять или шесть цилиндров, у 300-сильного — восемь… Но как эти цилиндры расположить? Иными словами — по какой схеме строить многоцилиндровый двигатель?

Простота хуже компактности

О чём болит голова у конструктора? Во-первых, о том, как упростить конструкцию двигателя, чтобы он был дешевле в производстве и легче в обслуживании. Самый простой двигатель — рядный (мы будем обозначать такие моторы индексами R2, R3, R4 и т. д.). Располагаем в ряд нужное количество цилиндров — получаем необходимый рабочий объём.

Двигатель R3 (А). Угол между кривошипами — 120°.Добиться равномерности вспышек в двухцилиндровом двигателе (В) можно только при двухтактном цикле.А такой мотор ©, например, стоит на «Оке». Поршни движутся синфазно.

Двух- и трёхцилиндровые двигатели встречаются на автомобилях нечасто, хотя мода на «двухгоршковые» моторчики набирает обороты. Тому способствуют продвинутые системы смесеобразования и применение турбонаддува (как, например, на 85-сильной двухцилиндровой турбоверсии хэтчбека Fiat 500). А вот рядная «четвёрка» попала в самый массовый диапазон рабочего объёма легковых автомобилей — от 1,0 до 2,4 л.

В современных четырёхтактных двухцилиндровых двигателях, вроде турбомотора Фиата 500, проблему вибраций отчасти решает балансирный вал.

Пятицилиндровые рядные моторы появились на серийных автомобилях сравнительно недавно — в середине 70-х годов. Первым был Mercedes-Benz со своими дизельными «пятёрками» — они появились в 1974 году (на модели 300D с кузовом W123). Через два года увидел свет пятицилиндровый двухлитровый бензиновый двигатель Audi. А в конце 80-х годов такие моторы сделали Volvo и FIAT.

Рядные «шестёрки», до недавнего времени столь популярные в Европе, нынче во мгновение ока стали вымирающим видом. А про рядную «восьмёрку» и говорить нечего — с ней практически распрощались еще в 30-х годах. Почему?

Ответ прост. С ростом числа цилиндров двигатель становится длиннее, и это создаёт массу неудобств при компоновке. Например, втиснуть поперёк моторного отсека переднеприводного автомобиля рядную «шестёрку» удавалось в считанных случаях — можно припомнить лишь английский Austin Maxi 2200 середины 60-х годов (тогда конструкторам пришлось спрятать коробку передач под двигателем) и Volvo S80 с суперкомпактной коробкой передач.

Два мотора R3, составленные друг за другом, дают великолепный результат — абсолютно уравновешенную рядную «шестёрку».

Как укоротить рядный мотор? Его можно «распилить» пополам, поставить две половинки рядом друг с другом и заставить работать на один коленвал. Такие моторы, у которых цилиндры расположены в виде латинской буквы V, вдвое короче рядных — наибольшее распространение получили двигатели с углом развала блока 60° и 90°. А V-образный мотор с углом развала блока 180°, в котором цилиндры расположены друг против друга, называют оппозитным (или «боксером» — обозначения В2, В4, В6 и т. д. происходят именно от слова boxer).

Такие моторы сложнее рядных — например, у них две головки цилиндров (каждая со своей прокладкой и коллекторами), больше распредвалов, сложнее схема их привода. А оппозитные двигатели ещё и занимают много места в ширину. Поэтому из компоновочных соображений они применяются довольно редко — производителей «боксеров» можно пересчитать по пальцам.

А как сделать V-образный двигатель еще компактнее? Одно из простых, на первый взгляд, решений — установить угол развала блока менее 60°. Действительно, такие моторы были, но редко — можно вспомнить, например, автомобили Lancia Fulvia 70-х годов с моторами V4, угол развала блока которых составлял 23°. Почему же этим не пользовались все? Дело в том, что перед конструктором двигателя всегда стоит ещё одна проблема — вибрации.

О силах и моментах

Вообще без вибраций поршневой двигатель внутреннего сгорания работать не может — так уж он устроен. Но бороться с ними нужно, и не только для повышения комфорта пассажиров. Сильные неуравновешенные вибрации могут вызвать разрушения деталей мотора — со всеми вылетающими и выпадающими оттуда последствиями…

Отчего возникают вибрации? Во-первых, в некоторых схемах двигателей вспышки в цилиндрах происходят неравномерно. Таких схем конструкторы по возможности избегают или стараются делать массивней маховик — это помогает сгладить пульсации крутящего момента. Во-вторых, при движении поршней вверх-вниз они то разгоняются, то замедляются, из-за чего возникают силы инерции — сродни тем силам, что заставляют пассажиров автомобиля кланяться при торможении или вдавливают их в спинки сидений при разгоне. В-третьих, шатун в двигателе движется вовсе не вверх-вниз, а совершает сложное движение. Да и возвратно-поступательное перемещение поршня от верхней мёртвой точки к нижней тоже нельзя описать простой синусоидой.

Силы инерции от двух масс, вращающихся на одном валу поодаль друг от друга, создают свободный момент.В простейшем моторе есть свободные силы инерции, но нет моментов. Цилиндр-то один.

Поэтому среди сил инерции появляются составляющие с удвоенной, утроенной, учетверённой частотой вращения коленвала… Этими так называемыми силами инерции высших порядков, как правило, пренебрегают — они по сравнению с основной силой инерции (которой присвоили первый порядок) очень малы. Исключение составляют силы инерции второго порядка, с которыми приходится считаться. Плюс к этому, пары сил, приложенные на определённом расстоянии, образуют моменты — так происходит, когда в соседних цилиндрах силы инерции направлены в разные стороны.

Что сделать для того, чтобы уравновесить силы и моменты? Во-первых, можно выбрать схему мотора, в которой цилиндры и кривошипы коленчатого вала расположены таким образом, что силы и моменты взаимно уравновесят друг друга — всегда будут равны и направлены в противоположные стороны.

Яркий представитель вымершего племени автомобилей с рядной «восьмёркой» — модель 1930-х годов Alfa Romeo 8C.

А если ни одна из уравновешенных схем не подходит — например, из компоновочных соображений? Тогда можно попытаться по-другому расположить шейки коленвала и применить всякого рода противовесы, создающие силы и моменты, равные по величине, но противоположные по направлению основным уравновешиваемым силам. Иногда это можно сделать, разместив противовесы на коленчатом валу мотора. А иногда — на дополнительных валах, которые называют балансирными валами противовращения. Называются они так потому, что крутятся в другую сторону, нежели коленвал. Но это усложняет и удорожает двигатель.

Чтобы облегчить описание степени уравновешенности разных двигателей, мы подготовили сводную таблицу. Зелёным в ней выделены самоуравновешенные силы и моменты, а красным — свободные (те, что не уравновешены и вырываются на свободу — через опоры силового агрегата проходят на кузов автомобиля).

Степень уравновешенности (зелёная ячейка — уравновешенные силы или моменты, красная — свободные)

Силы инерции второго порядкаЦентробежные силы**Моменты от сил инерции первого порядкаМоменты от сил инерции второго порядкаМоменты от центробежных сил

* Поршни в противофазе.

** Уравновешиваются противовесами на коленчатом вале.

Что же получается? Из распространённых типов двигателей абсолютно уравновешенных всего два — это рядная и оппозитная «шестёрки». Теперь понимаете, почему BMW и Porsche так крепко держатся за такие моторы? Ну а о причинах, по которым от них отказываются остальные, мы уже упоминали. Теперь рассмотрим поподробнее остальные схемы.

Шестицилиндровый «оппозитник» водяного охлаждения Porsche. С левой и правой сторон блока в целях экономии стоят одинаковые головки, поэтому цепные приводы распредвалов пришлось устраивать и спереди, и сзади.

Уравновешенные и не очень

Из двухцилиндровых двигателей на автомобилях нынче применяется только один — двухцилиндровый рядный мотор с коленчатым валом, у которого кривошипы направлены в одну сторону (такой, например, стоял на отечественной «Оке»). Как видно, этот двигатель по степени уравновешенности похож на одноцилиндровый, поскольку оба поршня движутся вверх и вниз одновременно, в фазе. Для того чтобы уравновесить свободные силы инерции первого порядка, в моторе «Оки» слева и справа от коленвала применялись два вала с противовесами. А как же быть с силами второго порядка? Для того чтобы с ними справиться, пришлось бы добавить ещё два балансирных вала, что на двухцилиндровом моторе, изначально предназначенном для маленьких и дешёвых автомобилей, было бы совершенно неуместным.

Впрочем, это ещё ничего — много двухцилиндровых моторов выпускалось вообще без балансирных валов. Так было, например, на малышках Fiat 500 образца 1957 года. Да, вибрации были, их старались погасить подвеской силового агрегата… Но мотор зато получался простым и дешёвым! Дешевизна двухцилиндровых двигателей соблазняет разработчиков и сегодня: не зря же эту схему использовали создатели самого доступного автомобиля планеты, индийского хэтчбека Tata Nano.

Машин с оппозитной «двойкой» — по экономическим и компоновочным соображениям — было немного. Можно упомянуть, например, французский Citroen 2CV.

Двухцилиндровый двигатель, у которого кривошипы направлены в разные стороны (под углом 180°), можно встретить сегодня только на мотоциклах. Поскольку поршни в нём всегда движутся в противофазе, то он уравновешен лучше. Однако равномерного чередования вспышек в цилиндрах можно добиться только на двухтактных моторах — такие двигатели устанавливались на довоенные DKW и их прямых наследников, пластиковые гэдээровские Трабанты. По причине простоты и дешевизны никаких балансирных валов на них тоже не было, а с возникающими вибрациями просто мирились.

Автомобиль с двухцилиндровым V-образным мотором припоминается только один — отечественный НАМИ-1. А до наших дней этот тип двигателя дожил только на мотоциклах — вспомните американский Harley Davidson и его японских последователей с их V-образными «двойками» во всей хромированной красе. Такой мотор можно уравновесить практически полностью с помощью противовесов на коленчатом валу, но достичь равномерного чередования вспышек невозможно. Хорошо, что байкеры особого внимания на вибрации не обращают…

НАМИ-1 — прототип 1927 года.

Трёхцилиндровый двигатель уравновешен хуже, чем рядная «четвёрка», и поэтому производители трёхцилиндровых моторов — например, Subaru и Daihatsu — стараются оснащать их балансирными валами. В своё время опелевские двигателисты решили отказаться от балансирного вала, разрабатывая трёхцилиндровый мотор семейства Ecotec для Корсы второго поколения — в целях удешевления и уменьшения механических потерь. И трёхцилиндровая Corsa после дебюта в 1996-м была раскритикована немецкими автожурналистами: «По городу на переменных режимах ездить совершенно невозможно».

В самой популярной среди двигателистов рядной «четвёрке» остаётся свободной сила инерции второго порядка. Её можно уравновесить только балансирным валом, вращающимся с удвоенной скоростью. (Вы не забыли — сила инерции второго порядка действует с удвоенной частотой?) А для компенсации момента от балансирного вала придётся ставить ещё один, вращающийся в противоположную сторону. Дорого? Безусловно. Однако моторы с балансирными валами можно встретить на автомобилях Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat и самых разных марок концерна Volkswagen.

Пример рядной «четвёрки» с балансирными валами — двухлитровый двигатель Audi. Валы располагаются по обе стороны от коленвала и с удвоенной скоростью вращаются в противоположные стороны. Здесь балансирные валы расположены снизу и соединены зубчатой передачей, а раньше (как, например, на приведённом на картинке внизу двигателе Saab 2.3) их располагали сверху и у каждого был свой шкив цепного привода.

Кстати, оппозитная «четвёрка» уравновешена лучше, чем рядная, — здесь есть только момент от сил инерции второго порядка, который стремится развернуть двигатель вокруг вертикальной оси. Однако и «оппозитник» воздушного охлаждения легендарного «Жука», и знаменитые «боксеры» Subaru обходились и обходятся без балансирных валов.

Subaru из компоновочных соображений предпочитает рядной «четвёрке» оппозитную. Что до вибраций, то силы инерции второго порядка у «боксера» уравновешены, но момент от них всё же остаётся свободным.

У рядных «пятёрок» с уравновешенностью дела обстоят не очень. Силы инерции компенсируются, но вот моменты от этих сил… Во время работы двигателя по блоку постоянно «пробегает» волна изгибающего момента, поэтому блок должен быть весьма жёстким. Однако и Mercedes-Benz, и Audi, и Volvo борются с вибрациями, дорабатывая подвеску силового агрегата или применяя специальные противовесы (как у наддувной «пятёрки» 2.5 TFSI на Audi TT RS). И только фиатовские мотористы применяли балансирный вал, который полностью уравновешивал все моменты.

На картинке FIAT JTD от хэтчбека Croma — потомок пятицилиндрового турбодизеля Fiat TD 125 объёмом 2387 см³, образованного путём добавления одного цилиндра к 1,9-литровой «четвёрке» TD 100. Балансирный вал — слева, в нижней части картера.Под каким углом расположить кривошипы коленвала рядной «пятёрки»? 360° делим на пять… Правильно — 72°!

Кстати, практически все «пятёрки» образованы путём прибавления ещё одного цилиндра к четырёхцилиндровому двигателю — как кубики в конструкторе. Делают это для того, чтобы с минимальными производственными и конструкторскими затратами получить более мощные моторы. При этом всю начинку, включая поршни, шатуны, клапаны и т. д., можно взять от «четвёрки». Понадобятся иные блок и головка цилиндров и, само собой, коленчатый вал, кривошипы которого должны быть расположены под углом в 72°.

О шестицилиндровых моторах — мечте с точки зрения уравновешенности — мы уже упоминали. А вот в моторах V6, которые вытесняют рядные «шестёрки», ситуация с уравновешенностью такая же, как у «трёшки», то есть не ахти. Поэтому, например, балансирным валом в развале блока цилиндров был оснащён самый первый двигатель V6 фирмы Mercedes-Benz — заслуженный М112 с тремя клапанами на цилиндр. У трёхлитровой «шестёрки» концерна PSA вал находился в одной из головок блока. На других моторах того времени инженеры пытались не усложнять конструкцию и старались свести уровень вибраций к минимуму за счёт усовершенствованной подвески силового агрегата и хитроумного смещённого расположения шатунных шеек коленчатого вала (как, например, на Audi V6).

В моторе V6 с углом развала блока 90° сдвоенные кривошипы расположены под углом 120°. А в моторах с развалом 60° каждый шатун приходится устанавливать на своём кривошипе.Для уравновешивания свободного момента от сил второго порядка мотору V6 90° необходим один балансирный вал (показан стрелкой). В двигателе Citroen 3.0 V6 он был установлен в одной из головок блока.

У новейших мерседесовских двигателей V6 угол развала блока сократился до 60°, в результате чего необходимость в балансирном вале отпала.

Добавим сюда ещё одно замечание — в моторах V6 с развалом в 90° не обеспечивается равномерное чередование вспышек в цилиндрах. Возникающая неравномерность хода может компенсироваться за счёт утяжелённого маховика, но лишь отчасти. Вот вам и ещё один источник вибраций…

Двигатели V8 с углом развала цилиндров в 90° и коленвалом, кривошипы которых располагаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, весьма неплохо уравновешены. В таком моторе можно обеспечить равномерное чередование вспышек, что тоже работает на плавность хода. Остаются неуравновешенными два момента, которые можно полностью утихомирить с помощью двух противовесов на коленчатом валу — на щеках крайних цилиндров. Понимаете, почему американцы раньше других прочувствовали всю прелесть V-образных моторов? Вибрации и тряски в своих автомобилях они очень не любят…

Двигатель V8: и развал блока, и угол между кривошипами — 90°.

Напоследок можно поговорить о схемах необычных. Сначала вспомнить о моторах V4. Таких было немного — европейский Ford образца 60-х годов (который стоял на автомобилях Ford Taunus, Capri и Saab 96) да чудо-двигатель отечественного «Запорожца». Здесь не обошлось без уравновешивающего вала для момента от сил инерции первого порядка. Впрочем, конструкторы вышеупомянутых автомобилей выбирали эту схему из условий компактности и отчасти экономии, а не за хорошую уравновешенность.

Ford и ЗАЗ выбрали экзотику: мотор V4, в котором и угол развала блока, и угол между кривошипами составляют 90°.Угол развала цилиндров моторов V2 колеблется от 25° до 90°.

А что насчёт V-образных «десяток»? Как можно видеть, степень уравновешенности таких моторов точно такая же, как и у моторов R5. Впрочем, конструкторы прежних моторов Формулы-1 или монстров Dodge Viper и Dodge RAM, где стоят двигатели V10, о вибрациях думали далеко не в первую очередь.

Как жаль, что Viper и его коллосальный V10 — уже история.

Двигателями V10 отметилась целая череда знаковых машин: BMW M5, Audi S6 и S8, а также RS6 с наддувной «десяткой». Не говоря уже об автомобилях Lamborghini. Наконец, Lexus LFA тоже оснащается двигателем V10.

Ну а прочие схемы легко свести к предыдущим. Например, оппозитная «восьмёрка» (пример применения — гоночные болиды Porsche 917) — это две «четвёрки», работающие на один коленвал. А V-образный и оппозитный двенадцатицилиндровые двигатели можно свести к двум рядным «шестёркам».

VR6, VR5, W12…

Помните, мы упоминали о V-образных моторах с малым углом развала блока — как на Лянчах? Раньше таких схем избегали — уравновесить их сложнее, чем моторы с развалом в 60° или 90°, а выигрыш в компактности тогда ценили не так…

Но теперь ситуация изменилась. Во-первых, повсеместно применяются гидроопоры силового агрегата, которые значительно ослабляют вибрации. Во-вторых, пространство под капотом нынче на вес золота. Ведь кто раньше мог себе представить скромный хэтчбек с 2,8-литровым мотором? А теперь — пожалуйста! Всё началось с Фольксвагена Golf VR6 третьего поколения.

Знаменитый фольксвагеновский двигатель VR6, «V-образно-рядный» мотор (об этом и говорит обозначение VR), стал дальнейшим развитием V-образных двигателей с малым углом развала блока. Цилиндры этого мотора разведены на ещё меньший угол, чем на Лянчах, — всего на 15°. Угол настолько мал, что такой мотор называют ещё «смещённо-рядным». Гениальное решение — «шестёрка» 2.8 компактнее, чем обычный мотор V6, да ещё и имеет одну головку блока! Потом появился двигатель VR5 — это VR6, от которого «отрезали» один цилиндр. После этого мотористы концерна Volkswagen вообще словно с цепи сорвались.

Двигатель VR5 2.3 конструкторы Фольксвагена получили, отняв один цилиндр от мотора VR6. Угол развала компактного блока — 15°, все пять цилиндров укрыты одной головкой блока.

Они придумали суперкомпактный двигатель W12, который дебютировал в 1998 году на концепт-каре W12 Roadster. Это два двигателя VR6, установленные под углом 72° на одном коленвале. Но прежде в серию пошёл мотор W8, которым оснащалась топ-модель седана Passat. Там тоже два мотора VR6, от которых «отрезано» по два цилиндра и которые тоже объединены в одном блоке на одном коленвале. Когда-то в Вольфсбурге подумывали и о восемнадцатицилиндровом двигателе — но в итоге остановились на W16 с четырьмя турбокомпрессорами, который разгоняет Bugatti Veyron до 431 км/ч.

Супермотор W12, показанный на концепте имени себя, приводит в движение представительские модели фирм Audi, Volkswagen и Bentley. На фото хорошо видно шахматное расположение цилиндров пары блоков, объединённых в одной отливке под углом 72°. Длина 420-сильного мотора — всего 51 см, ширина — 70 см.

Почему же таких моторов не было раньше? Взгляните, к примеру, на коленвал двигателя W12 — такое технологу и в страшном сне не приснится! Создателям новых схем должен помогать компьютер. Чтобы просчитать все варианты угла развала блока, расположения шатунных шеек, порядка вспышек в цилиндрах и выбрать самый уравновешенный, без помощи вычислительных мощностей обойтись очень сложно.

Теория и практика

Как видно, при выборе схемы силового агрегата конструкторы ставят во главу угла вовсе не степень уравновешенности. Главное — это удачно вписать в моторный отсек такой двигатель, который будет обладать наилучшим соотношением массы, размеров и мощности. Потом, двигатели сейчас всё чаще строятся по модульному принципу. Говоря упрощённо, на одной поршневой группе можно построить любой мотор — и трёхцилиндровый, и W12. Вслед за Фольксвагеном на модульные конструкции переходит всё больше производителей. Новейшая линейка моторов Mercedes — тому отличное подтверждение.

А вибрации… Во-первых, следует различать теоретическую и действительную уравновешенность двигателя. Если коленчатый вал в сборе с маховиком не отбалансирован, а поршни и шатуны заметно отличаются по массе, то трясти будет даже рядную «шестёрку». А потом, действительная уравновешенность всегда значительно хуже теоретической — по причинам отклонения деталей от номинальных размеров и из-за деформации узлов под нагрузкой. Так что вибрации «прорываются» из двигателя наружу при любой схеме. Поэтому автомобильные инженеры и уделяют такое внимание подвеске силового агрегата. На самом деле конструкция и расположение опор двигателя — не менее важный фактор, чем степень уравновешенности самого мотора…

Материал адаптирован к публикации с разрешения ООО «Газета «Авторевю». Все права на перепечатку принадлежат Авторевю.взял с:www.drive.ru/technic/2010/07/20/3453536.html

www.drive2.com

Порядок работы цилиндров. — DRIVE2

Приветствую Вас, Друзья.В связи с тем, что считаю нужным передавать накопленные знания молодому поколению, а механики сейчас учиться не хотят, а только бабки грести, делая тупо ТО и меняя фильтры, кое-какие вещи буду оставлять здесь.Итак. Сегодня поговорим о порядке работы цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Одна из излюбленных мною тем. А то всё женщины, юмор, психология, афоризмы… Пора и честь знать))

Начнем с этого)))

Начинаем конечно с самого простого, то есть с рядной четверки. Тут все просто. Порядок 1-3-4-2, либо 1-2-4-3, как на ЗМЗ-402(Волга Газ)

Но есть и V-образные и опозитные четверки, впрочем сути порядка работы это не меняет.

Далее следует рядная шестерка. Порядок таков: 1-5-3-6-2-4, или как говаривали бывалые водители, 15 бутылок по 3,62-ве на четверых))) Такое трудно забыть)))

Следом идет V-образная шестерка с порядком работы: 1-4-2-5-3-6. Один из самых несбалансированных моторов, если не брать в расчет 5-ти, 3-х и 2-х цилиндровые четырехтактные двигатели.

Ну а теперь мой любимец, а именно старый добрый и неподражаемый V-8!

Красавец, правда…

Порядков работы на первый взгляд у него два: 1-5-4-2-6-3-7-8 или 1-8-4-3-6-5-7-2. Вы наверное спросите почему? А потому, что Америка и Европа считает цилиндры по разному. У Американцев первый цилиндр (по ходу движения А/М) спереди слева. Далее цилиндры считаются слева-направо, спереди-назад, в шахматном порядке:1 23 45 67 8У европейцев первый цилиндр спереди справа по ходу движения А/М, далее порядно, также спереди назад:5 16 27 38 4Таким образом, если нарисовать две диаграммы и наложить одну на другую, получается то-же самое.

И в заключение двигатель V-12. Порядок: 1-12-5-8-3-10-6-7-2-11-4-9

На этом пока всё. Если кто-то хочет дополнить, или поправить, милости прошу. Надеюсь, кому-нибудь да пригодится)))Всем добра.

P.S. Пардон! Чуть не забыл! Рядная восьмерка (устанавливалась на очень старых Американцах):1-4-7-3-8-5-2-6 Этот порядок, не зная английского найти крайне непросто…

www.drive2.ru

какой двигатель лучше рядный или V образный и почему?

ПРАВДА: Главным преимуществом рядной «шестерки» по сравнению с V6 является почти идеальная уравновешенность. Поршни в двигателе совершают достаточно сложные возвратно-поступательные движения и не менее сложные неравномерные движения: они то разгоняются, то замедляются. Все эти движения помимо полезных нагрузок несут и паразитирующие силы, и моменты инерции, которые негативно сказываются на работе двигателя. На рядных «шестерках» полный баланс найден в необычайной простоте работы цилиндров: все цилиндры работают в одной плоскости, поршни поделены на три пары (1-4, 2-5, 3-6), каждая пара закрепляется на коленвале под углом 120 относительно остальных. Вибрация в нем скомпенсирована на уровне кривошипно-шатунного механизма.

А вот моменты от сил инерции в двигателях V6 конструктивно невозможно уравновесить, поэтому производители вынуждены прибегать к различным ухищрениям типа балансировочных валов, которые, вращаясь в противоположную коленвалу сторону, компенсируют все эти моменты. Применение балансировочных валов усложняет конструкцию мотора. Единственным преимуществом V6 можно считать меньшие габариты по сравнению с Р6. Недостатком рядных «шестерок» является большая длина ГБЦ и коленвала.

«Самый лучший мотор – рядная «четверка»

ПРАВДА: Рядный четырехцилиндровый двигатель – самый распространенный, но это не значит, что он идеальный. Четыре цилиндра в ряд – самая простая конструкция и в техническом, и, что немаловажно, в экономическом плане. Такой двигатель довольно компактный, его можно расположить как вдоль, так и поперек, использовать под разные типы трансмиссии, но рядная «четверка» имеет один существенный недостаток – небольшой рабочий объем (от 1,0 до 2,5 л) . Средний объем цилиндра двигателя современного автомобиля – от трехсот до шестисот кубических сантиметров (плюс-минус сто «кубиков») . Литровая мощность – от 35 л. с. /л для безнаддувного дизеля и до 100 л. с. /л для форсированного бензинового мотора. Для серийных двигателей это оптимум, выходить за рамки которого просто невыгодно. Поэтому, чтобы увеличить мощность мотора, конструкторам приходится увеличивать количество цилиндров.

otvet.mail.ru

Рядный? V-образный? «Оппозит»? — Авто-потроха: что у машинок внутри?

В начале XX века, когда конструкторская мысль бушевала вовсю, двигатель рабочим объемом 10 л мог быть как одноцилиндровым, так, к примеру, и рядной «восьмеркой». Тогда никого особо не удивляли установленная на автомобиле рядная «шестерка» объемом 23л или семицилиндровый звездообразный мотор с аэроплана…

Однако рост мощностей, оборотов и ожесточенная борьба за снижение себестоимости все расставили по местам. Простейший одноцилиндровый мотор для автомобилестроителей остался в далеком прошлом. Средний объем цилиндра двигателя обычного автомобиля сейчас — от трехсот до шестисот кубических сантиметров (плюс-минус сто «кубиков» в исключительных случаях вроде трехцилиндровой мотоколяски Smart или рядной 4,5-литровой «шестерки» внедорожника Nissan Patrol). Литровая мощность — от 35лс/л для безнаддувного дизеля до 100лс/л для форсированного бензинового мотора. Для серийных двигателей это оптимум, выходить за рамки которого просто невыгодно.

Сегодня двигатель мощностью 100л.с. будет четырехцилиндровым, двухсотсильный будет иметь четыре, пять или шесть цилиндров, трехсотсильный — восемь… Но как эти цилиндры расположить? Иными словами — по какой схеме строить многоцилиндровый двигатель?

Силы инерции от двух масс, вращающихся на одном валу поодаль друг от друга, создают свободный момент. В простейшем моторе есть свободные силы инерции, но нет моментов. Цилиндр-то один!

Простота хуже компактности

О чем болит голова у конструктора? Во-первых, о том, как упростить конструкцию двигателя, чтобы он был дешевле в производстве и легче в обслуживании.

Самый простой двигатель — рядный (мы будем обозначать такие двигатели индексами R2, R3, R4 и т.д.). Располагаем в ряд нужное количество цилиндров — получаем необходимый рабочий объем.

Двух- и трехцилиндровые двигатели встречаются на автомобилях нечасто, и рядные в том числе. Зато рядная «четверка» попала в самый массовый диапазон рабочего объема легковых автомобилей — от 1,0 до 2,3 литра.

Пятицилиндровые рядные моторы появились на серийных автомобилях недавно — в середине 70-х годов. Первым был Mercedes-Benz со своими дизельными «пятерками» — они появились в 1974 году (на модели 300D с кузовом W123). Через два года увидел свет пятицилиндровый двухлитровый бензиновый двигатель Audi. А в конце 80-х годов такие моторы сделали Volvo и FIAT.

Рядные «шестерки», до недавнего времени столь популярные в Европе, нынче во мгновение ока стали вымирающим видом. А про рядную «восьмерку» и говорить нечего — с ней практически распрощались еще в 30-х годах. Почему?

Ответ прост. С ростом числа цилиндров двигатель становится длиннее, и это создает массу неудобств при компоновке. Например, втиснуть поперек моторного отсека переднеприводного автомобиля рядную «шестерку» удавалось в считанных случаях — можно припомнить лишь английский Austin Maxi 2200 середины 60-х годов (тогда конструкторам пришлось спрятать коробку передач под двигателем) и новейший Volvo S80 с суперкомпактной КПП.

Как укоротить рядный мотор? Его можно «распилить» пополам, поставить две половинки рядом друг с другом и заставить работать на один коленвал. Такие моторы, у которых цилиндры расположены в виде латинской буквы V, вдвое короче рядных — наибольшее распространение получили двигатели с углом развала блока 60 и 90 градусов. А V-образный мотор с углом развала блока 180 градусов, в котором цилиндры расположены друг против друга, называют оппозитным (или «боксером» — обозначения В2, В4, В6 и т. д. происходят именно от слова boxer).

Такие моторы сложнее рядных — например, у них две головки цилиндров (каждая со своей прокладкой и коллекторами), больше распредвалов, сложнее схема их привода. А оппозитные двигатели еще и занимают много места в ширину. Поэтому из компоновочных соображений они применяются довольно редко — производителей «боксеров» можно пересчитать по пальцам.

А как сделать V-образный двигатель еще компактнее? Одно из простых, на первый взгляд, решений — сделать угол развала блока менее 60 градусов. Действительно, такие моторы были, но редко — можно вспомнить, например, автомобили Lancia Fulvia 70-х годов с моторами V4, угол развала блока которых составлял 23 градуса. Почему же этим не пользовались все? Дело в том, что перед конструктором двигателя всегда стоит еще одна проблема — вибрации.

О силах и моментах

Вообще без вибраций поршневой двигатель внутреннего сгорания работать не может — так уж он устроен. Но бороться с ними нужно, и не только для повышения комфорта пассажиров.

Сильные неуравновешенные вибрации могут вызвать разрушения деталей мотора — со всеми вылетающими и выпадающими оттуда последствиями…

Отчего происходят вибрации? Во-первых, в некоторых схемах двигателей вспышки в цилиндрах происходят неравномерно. Таких схем конструкторы по возможности избегают или стараются делать массивней маховик — это помогает сгладить пульсации крутящего момента.

Во-вторых, при движении поршней вверх-вниз они то разгоняются, то замедляются, из-за чего возникают силы инерции — они сродни тем силам, что заставляют пассажиров автомобиля кланяться при торможении или вдавливают их в спинки сидений при разгоне.

В-третьих, шатун в двигателе движется вовсе не вверх-вниз, а совершает сложное движение. Да и возвратно-поступательное перемещение поршня от верхней мертвой точки к нижней тоже нельзя описать простой синусоидой.

Поэтому среди сил инерции появляются составляющие с удвоенной, утроенной, учетверенной частотой вращения коленвала… Этими так называемыми силами инерции высших порядков, как правило, пренебрегают — они по сравнению с основной силой инерции (которой присвоили первый порядок) очень малы. Исключение составляют силы инерции второго порядка, с которыми приходится считаться.

Плюс к этому, пары сил, приложенные на определенном расстоянии, образуют моменты — так происходит, когда в соседних цилиндрах силы инерции направлены в разные стороны.

Что сделать для того, чтобы уравновесить силы и моменты? Во-первых, можно выбрать схему мотора, в которой цилиндры и кривошипы коленчатого вала расположены таким образом, что силы и моменты взаимно уравновесят друг друга — всегда будут равны и направлены в противоположные стороны.

А если ни одна из уравновешенных схем не подходит — например, из компоновочных соображений? Тогда можно попытаться по-другому расположить шейки коленвала и применить всякого рода противовесы, создающие силы и моменты, равные по величине, но противоположные по направлению основным уравновешиваемым силам. Иногда это можно сделать, разместив противовесы на коленчатом валу мотора. А иногда — на дополнительных валах, которые называют балансирными валами противовращения. Называются они так потому, что крутятся в другую сторону, нежели коленвал. Но это усложняет и удорожает двигатель.

Чтобы облегчить описание степени уравновешенности разных двигателей, мы подготовили сводную таблицу (в конце статьи). Зеленым в ней выделены самоуравновешенные силы и моменты, а красным — свободные (те, что не уравновешены и вырываются на свободу — через опоры силового агрегата проходят на кузов автомобиля).

Что же получается? Из распространенных типов двигателей абсолютно уравновешенных всего два — это рядная и оппозитная «шестерки». Теперь понимаете, почему BMW и Porsche так крепко держатся за такие моторы? Ну, а о причинах, по которым от них отказываются остальные, мы уже упоминали.

Теперь рассмотрим поподробнее остальные схемы.

Уравновешенные и не очень

Из двухцилиндровых двигателей на автомобилях нынче применяется только один — двухцилиндровый рядный мотор с коленчатым валом, у которого кривошипы направлены в одну сторону (например, такой стоит на отечественной Оке). Как видно, этот двигатель по степени уравновешенности похож на одноцилиндровый, поскольку оба поршня движутся вверх и вниз одновременно, в фазе. Для того, чтобы уравновесить свободные силы инерции первого порядка, в моторе Оки слева и справа от коленвала стоят два вала с противовесами. А как же быть с силами второго порядка? Для того, чтобы с ними справиться, пришлось бы добавить еще два балансирных вала, что на двухцилиндровом моторе, изначально предназначенном для маленьких и дешевых автомобилей, было бы совершенно неуместным.

Впрочем, это еще ничего — много двухцилиндровых моторов выпускалось вообще без балансирных валов. Так было, например, на малышках Fiat 500 образца 1957 года. Да, вибрации были, их старались погасить подвеской силового агрегата… Но мотор зато получался простым и дешевым!

Двухцилиндровый двигатель, у которого кривошипы направлены в разные стороны (под углом 180 градусов), можно встретить только на мотоциклах. Поскольку поршни в нем всегда движутся в противофазе, то он уравновешен лучше.

Однако равномерного чередования вспышек в цилиндрах можно добиться только на двухтактных моторах — такие двигатели можно было встретить на довоенных DKW и их прямых наследниках, пластиковых гэдээровских Трабантах. По причине простоты и дешевизны никаких балансирных валов на них тоже не было, а с возникающими вибрациями просто мирились.

Автомобиль с двухцилиндровым V-образным мотором припоминается только один — отечественный НАМИ-1.

А до наших дней этот тип двигателя дожил только на мотоциклах — вспомните американский Harley Davidson и его японских последователей с их V-образными «двойками» во всей хромированной красе. Такой мотор можно уравновесить практически полностью с помощью противовесов на коленчатом валу, но достичь равномерного чередования вспышек невозможно.

Хорошо, что байкеры особого внимания на вибрации не обращают…

Автомобилей c оппозитным мотором, наиболее уравновешенным из всех двухцилиндровых, было немного — по экономическим и компоновочным соображениям. Можно упомянуть, например, французский Citroen 2CV.

Трехцилиндровый двигатель уравновешен хуже, чем рядная «четверка», и поэтому производители трехцилиндровых моторов — например, Subaru и Daihatsu — стараются оснащать их балансирными валами. Однако опелевские двигателисты, недавно снабдившие Opel Corsa новым трехцилиндровым мотором семейства Ecotec, и конструкторы двигателя «городского купе» Smart в целях удешевления и уменьшения механических потерь отказались от балансирного вала. Правда, трехцилиндровая Corsa уже была раскритикована немецкими автожурналистами: «По городу на переменных режимах ездить совершенно невозможно».

В самой популярной среди двигателистов рядной «четверке» остается свободной сила инерции второго порядка. Ее можно уравновесить только балансирным валом, вращающимся с удвоенной скоростью (вы не забыли — сила инерции второго порядка действует с удвоенной частотой?).

А для компенсации момента от балансирного вала придется ставить еще один, вращающийся в противоположную сторону.

Дорого? Безусловно. Однако, моторы с балансирными валами можно встретить на автомобилях Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat, VW. Самый свежий пример — 2,2-литровая «четверка» из семейства Opel Ecotec.

Кстати, оппозитная «четверка» уравновешена лучше, чем рядная — здесь есть только момент от сил инерции второго порядка, который стремится развернуть двигатель вокруг вертикальной оси. Однако и «оппозитник» воздушного охлаждения легендарного Жука, и знаменитые «боксеры» Subaru обходились и обходятся без балансирных валов.

У рядных «пятерок» с уравновешенностью дела обстоят не очень. Силы инерции компенсируются, но вот моменты от этих сил… Во время работы двигателя по блоку постоянно «пробегает» волна изгибающего момента, поэтому блок должен быть весьма жестким. Однако и Mercedes-Benz, и Audi, и Volvo борются с вибрациями, дорабатывая подвеску силового агрегата. И только фиатовские мотористы применяют балансирный вал, который полностью уравновешивает все моменты.

Кстати, практически все «пятерки» образованы путем прибавления еще одного цилиндра к четырехцилиндровому двигателю — как кубики в конструкторе. Делают это для того, чтобы с минимальными производственными и конструкторскими затратами получить более мощные моторы. При этом всю начинку, включая поршни, шатуны, клапаны и т. д., можно взять от «четверки». Понадобятся иные блок и головка цилиндров и, само собой, коленчатый вал, кривошипы которого должны быть расположены под углом в 72 градуса.

О шестицилиндровых моторах — мечте с точки зрения уравновешенности — мы уже упоминали.

А вот в моторах V6, которые вытесняют рядные, ситуация с уравновешенностью такая же, как у «трешки», то есть не ахти. Поэтому балансирные валы можно увидеть на трехлитровом двигателе V6 Citroen/Peugeot или на новом 3,2-литровом моторе Mercedes-Benz М112. А на других моторах пытаются не усложнять конструкцию и стараются свести уровень вибраций к минимуму за счет усовершенствованной подвески силового агрегата и хитроумного смещенного расположения шатунных шеек коленчатого вала (как, например, на Audi V6).

Добавим сюда еще одно замечание — в моторах V6 с развалом в 90 градусов не обеспечивается равномерное чередование вспышек в цилиндрах. Возникающая неравномерность хода может компенсироваться за счет утяжеленного маховика, но лишь отчасти. Вот вам и еще один источник вибраций…

V-образные «восьмерки» с углом развала цилиндров в 90 градусов и коленвалом, кривошипы которого располагаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, весьма неплохо уравновешены. В таком моторе можно обеспечить равномерное чередование вспышек, что тоже работает на плавность хода. Остаются неуравновешенными два момента, которые можно полностью утихомирить с помощью двух противовесов на коленчатом валу — на щеках крайних цилиндров.

Понимаете, почему американцы раньше других прочувствовали всю прелесть V-образных моторов? Вибрации и тряски в своих автомобилях они очень не любят…

Напоследок можно поговорить о схемах необычных.

Сначала можно вспомнить про моторы V4. Таких было немного — европейский Ford образца 60-х годов (который стоял на автомобилях Ford Taunus, Capri и Saab 96) да чудо-двигатель отечественного Запорожца. Здесь не обошлось без уравновешивающего вала для момента от сил инерции первого порядка. Впрочем, конструкторы вышеупомянутых автомобилей выбирали эту схему из условий компактности и отчасти экономии, а не за хорошую уравновешенность.

А что насчет V-образных «десяток»? Как можно видеть, степень уравновешенности таких моторов точно такая же, как и у моторов R5.

Впрочем, конструкторы некоторых моторов Формулы-1 или монстров Chrysler Viper и Dodge RAM, где стоят двигатели V10, о вибрациях думают далеко не в первую очередь.

Ну, а прочие схемы легко свести к предыдущим. Например, оппозитная «восьмерка» (пример применения — гоночные болиды Porsche 917) — это две «четверки», работающие на один коленвал. А V-образный и оппозитный двенадцатицилиндровые двигатели можно свести к двум рядным «шестеркам».

VR6, VR5, W12…

Помните, мы упоминали о V-образных моторах с малым углом развала блока — как на Лянчах?

Раньше таких схем избегали — уравновесить их сложнее, чем моторы с развалом в 60 или 90 градусов, а выигрыш в компактности тогда ценили не так…

Но теперь ситуация изменилась. Во-первых, созданы и применяются гидроопоры силового агрегата, которые могут значительно ослабить вибрации. Во-вторых, пространство под капотом нынче на вес золота. Ведь кто раньше мог себе представить скромный хэтчбек с 2,8-литровым мотором? А теперь — пожалуйста: VW Golf VR6 предыдущего, третьего, поколения!

Этот знаменитый фольксвагеновский двигатель VR6, «V-образно-рядный» мотор (об этом и говорит обозначение VR), стал дальнейшим развитием V-образных двигателей с малым углом развала блока.

Цилиндры этого мотора разведены на еще меньший угол, чем на Лянчах — всего на 15 градусов. Гениальное решение — 2,8-литровая «шестерка» компактнее, чем обычный мотор V6, да еще и имеет одну головку блока! А в прошлом году на автомобилях Volkswagen Golf IV появился двигатель VR5 — это VR6, от которого «отрезали» один цилиндр.

После этого мотористы концерна VW вообще словно с цепи сорвались.

Они придумали суперкомпактный W-образный двигатель. W12, которым снабжен концепт-кар W12 Roadster, — это два двигателя VR6, установленные под углом 72 градуса на одном коленвале. А мотор W8, которым будут оснащать VW Passat Plus, — это два мотора VR6, от которых «отрезано» по два цилиндра и которые тоже объединены в одном блоке на одном коленвале.

А еще в Вольфсбурге подумывают о восемнадцатицилиндровом двигателе — страшно подумать, на какую он будет похож букву…

Почему же таких моторов не было раньше? О новых гидроопорах мы уже упоминали. Есть причины чисто технологического свойства. Взгляните, к примеру, на коленвал двигателя W12 — такое технологу и в страшном сне не приснится!

А еще создателям новых схем помогает… компьютер. Чтобы просчитать все варианты угла развала блока, расположения шатунных шеек, порядка вспышек в цилиндрах и выбрать самый уравновешенный, без компьютера обойтись очень сложно.

Теория и практика

Как видно, при выборе схемы силового агрегата конструкторы ставят во главу угла вовсе не степень уравновешенности. Главное — это удачно вписать в моторный отсек такой двигатель, который будет обладать наилучшим соотношением массы, размеров и мощности. Потом, двигатели сейчас все чаще строятся по модульному принципу, и кульминацией этого стали фольксвагеновские изыски. Говоря упрощенно, на одной поршневой группе можно построить любой мотор — и трехцилиндровый, и W12.

А вибрации… Во-первых, следует различать теоретическую и действительную уравновешенность двигателя. Если коленчатый вал в сборе с маховиком не отбалансирован, а поршни и шатуны заметно отличаются по массе, то трясти будет даже рядную «шестерку». А потом, действительная уравновешенность всегда значительно хуже теоретической — по причинам отклонения деталей от номинальных размеров и из-за деформации деталей под нагрузкой.

Так что вибрации «прорываются» из двигателя наружу при любой схеме. Поэтому автомобильные инженеры и уделяют такое внимание подвеске силового агрегата. На самом деле, конструкция и расположение опор двигателя — не менее важный фактор, чем степень уравновешенности самого мотора…

В таблице ниже: зеленая ячейка — уравновешенные силы или моменты, красная — свободные силы или моменты (неуравновешенные).

А. Воскресенский, Л. Голованов

carguts.ru

• 
  Двигатель n57s отзывы
• 
  Потолочный двигатель дорхан
• 
  Двигатель gx200 устройство
• 
  Шевроле каприз двигатель
• 
  Шаговый двигатель vdo
• 
  Характеристики двигателя k7ma812
• 
  Хадо обработка двигателя
• 
  Тигуан шумоизоляция двигателя
• 
  Двигатель митсубиси s4l
• 
  Двигатель дизелит гранта
• 
  Двигатель lifan lf250