V образный двигатель автомобиля как работает
Двигатели v образного типа, описание появления и использования
История автомобиля может служить своеобразной демонстрацией пытливости и настойчивости человеческого ума. Казалось бы, изобрели в 1883 году Даймлер с Майбахом двигатель внутреннего сгорания (одноцилиндровый), так пользуйтесь люди. Нет же, сразу обнаружились недостатки – маломощный он, нужен посильней. И процесс пошел – моторы стали больше и сильнее, число цилиндров начало увеличиваться, появились новые варианты их компоновки, одной из которых явился V образный двигатель.
О ДВС и его типах
Двигатель внутреннего сгорания может быть с внешним образованием топливной смеси (бензиновый) и с внутренним смесеобразованием – дизельный. Все они являются четырехтактными, и это надо отметить как одно из свойств, которыми обладает такой двигатель. Первый двигатель был мощностью чуть больше одной лошадиной силы, что оказалось явно недостаточно для его практического использования. Он был одноцилиндровый, само собой напрашивалось решение увеличить число цилиндров для увеличения мощности.
А как только число цилиндров становится больше одного, возникает вопрос, об их расположении. Невзирая на то, бензиновый это или дизельный двигатель, возможны такие варианты:
Некоторые из этих вариантов построения двигателей можно увидеть на приведенном ниже рисунке:
1- рядный; 2 – V образный; 3 – оппозитный; 4 – совмещенный V образный и рядный двигатель; 5 – W образный; 6 – совмещенный в W образной компоновке.
Для каждого из перечисленных вариантов свойственны свои достоинства и недостатки, но в настоящий момент более подробно будут рассмотрены V образные двигатели.
О конструкции V образного двигателя
Что собой представляет современный V образный двигатель, можно понять, посмотрев приведенное фото
Даже беглого взгляда достаточно для понимания, какое это сложное изделие. Тем не менее, его можно считать закономерным этапом в развитии, которое прошел двигатель, в первую очередь, имея ввиду его практическое использование для автомобиля и мотоцикла.
После того, как резервы роста мощности, заложенные в увеличении диаметра цилиндра, были исчерпаны, стало расти их число. Тогда мотор начали делать с использованием нескольких цилиндров. Проще всего их оказалось разместить в ряд друг за другом. Так появился рядный двигатель, как бензиновый, так и дизельный.
Казалось бы, все хорошо, наращивай число цилиндров и увеличивай отдаваемую мотором мощность. Но при этом растут его габариты, а если учесть, что основное применение было рассчитано на конструкцию автомобиля и мотоцикла, то большой двигатель туда не помещался. В ходе проведения всех таких работ было установлено, что для автомобиля оптимальным является рядный четырех- или шестициндровый силовой агрегат. Такие двигатели используются также в настоящее время, как самые простые в производстве.
Появление v образного двигателя
Борьба за компактность привела к тому, что родился V образный двигатель, в нем цилиндры размещены под углом. Такое расположение позволило решить как минимум две задачи:
Однако следствием такого технического решения стало усложнение конструкции силового агрегата. Если для рядного требуется один блок цилиндров и один газораспределительный механизм, то для V образных силовых агрегатов их число увеличивается как минимум вдвое. Это приводит к значительному усложнению производства.
Кроме уже отмеченных, есть и другие недостатки, присущие V образной компоновке, но они тем или иным способом решаются, и на сегодняшний день такой силовой агрегат является чрезвычайно распространенным в мире моторов. В то же время, кроме использования на легковом автомобиле у таких моторов есть и другие варианты применения, для примера можно остановиться на следующих:
V образный мотор на мотоцикле
Особого внимания заслуживает оппозитный двигатель как разновидность V образного. Такая его конструкция оказалась подходящей для мотоцикла, хотя некоторые производители применяют его в автомобилях.
Первоначально, в течение длительного времени для мотоцикла хватало одноцилиндрового мотора. Однако проблема роста мощности силового агрегата коснулась и мотоцикла, вследствие чего на нем появился V образный мотор (2-цилиндровый). Сейчас можно только отметить – в конструкции мотоцикла характерно использование большого числа самых разнообразных типов моторов. Но стоит учесть, в настоящее время для всех видов мотоцикла характерно увеличение числа цилиндров, что позволяет поднять общую, «литровую» мощность мотора.
При этом наблюдается все большее использование четырехтактных моторов для мотоцикла, двухтактные из-за своей низкой надежности и ограниченном ресурсе остаются только в мотогонках. А для многоцилиндровых двигателей в условиях ограниченного места, характерного для мотоцикла, наиболее приемлемым будет применение V образного мотора.
Конечно, у мотоцикла есть свои, присущие только ему особенности, но это не имеет отношения к его типу. А V образные многоцилиндровые, в том числе и оппозитные моторы, используемые при создании мотоцикла, не собираются уступать свое место другим.
V образный дизель
На сегодняшний день наибольшей популярностью в Европе пользуются автомобили, в которых применяется дизельный силовой агрегат. Обусловлено это его высокой экономичностью, а также отличными эксплуатационными показателями. Как пример можно привести дизельный двигатель TD6.
По своим техническим характеристикам он соответствует самым высоким требованиям, этот дизельный мотор имеет шесть, расположенных по V образной схеме, цилиндров, общий объем может составлять до 2,7 литров, он способен развивать мощность до двухсот семи л.с., обеспечивая крутящий момент до четырехсот сорока Нм. При этом его вес не превышает двухсот двух кг.
Не касаясь других его характеристик, используемых в конструкции технических решений, стоит просто отметить, что по экспертным оценкам подобный дизельный силовой агрегат является несомненным лидером в классе шестицилиндровых V образных дизелей.
Однако это не единственный пример применения подобной концепции в построении двигателей. В тех случаях, когда требуется повышенная мощность при достаточно компактных размерах, чаще всего находит применение аналогичный дизельный силовой агрегат. Вот пример из прошлого столетия – 12 цилиндровый четырехтактный дизельный двигатель, устанавливаемый на легендарных танках Т-34. Это не единственный случай – высокая мощность и относительная компактность делает V образный двигатель незаменимым при создании самых разных устройств – от автомобилей до танков.
» alt=»»>
За не такую уж и длительную историю развития ДВС, были разработаны разные его модификации, отличающиеся различным исполнением и сложностью. Тем не менее, несмотря на все имеющиеся трудности в производстве и недостатки конструкции, V образный двигатель в настоящее время является одним из самых массовых вариантов ДВС.
Преимущества V-образного двигателя.
В реалиях нашего времени лавры популярности очень долгое время удерживает двигатель определенной конструкции, а именно с развалом блока цилиндров с углом девяносто градусов. Это знаменитый и всем известный V образный ДВС. Такой тип двигателя является продолжением развития своего прародителя – двигателя с рядным положением цилиндров. Как он появился, почему именно такое исполнение – тема данной статьи.
История рождения
Общепринятым, классическим считается четырех цилиндровый, с продольным размещением цилиндров двигатель. Стандартным для того времени путем увеличения мощности такого ДВС считается увеличение рабочего объема камеры сгорания. Но вполне логично предположить что такой путь является тупиковым, так как всему есть свой предел и рабочему объему. Исходя из этого перед инженерами и конструкторами предстала новая задача. Как увеличить мощность при этом сохранив допустимые габаритные характеристики для легковых транспортных средств. Ответом для решения этой задачи послужило появление рядного 6-цилиндрового ДВС. Такой подход применим к сожалению лишь для легковых автомобилей.
Но спустя какое-то время достигнутых результатов стало также не достаточно. И в конструкторских бюро вновь закипела кропотливая работа. Венцом долгих лет расчетов, проб и попыток стал двигатель в котором совмещены под углом, друг относительно друга два рядных двигателя с одним совместным коленчатым валом. Это творение получило V образную форму и предстало пред публикой. Великий V образный двигатель внутреннего сгорания. Его конструктивная особенность позволяла конструкторам значительно сэкономить рабочее пространство в подкапотном пространстве, при этом значительно увеличить мощность агрегата. Как показала история, наибольшей популярностью у потребителя пользуются двигатели с количеством цилиндров 6 и 8. Такая черта позволила сохранить наиболее разумный баланс между габаритными показателями и мощностью такого ДВС.
Исходя из выше упомянуто истории такие двигателя являются несколько сложными. Не зависимо от типа топлива, любой V образный ДВС имеет пару ГБЦ (головок блока цилиндров), но при этом имеет единый, сложный ГРМ и совместный коленчатый вал. Такие особенности позволяют одновременно использовать потенциал всех поршней сразу. Платой за эти достоинства является высокая цена производства и эксплуатации.
Совмещая все достоинства и недостатки такие двигателя получили крайне широкое распространение практически на всех типах транспорта, начиная от мотоциклов заканчивая небольшими судами.
Такие двигатели несмотря на недостатки имеют неплохую экономичность в разрезе: Размер – вес – мощность – потребление топлива. Глядя на это практически все производители техники в Европе, на просторах Северной Америки, Японии и по сей день широко их применяют на своих транспортных средствах.
Это говорит лишь об одном — V образный двигатель внутреннего сгорания жив и будет жить!
V образный автомобильный двигатель: особенности, достоинства и недостатки
В общем случае v образный двигатель – это обычный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), цилиндры которого конструктивно расположены друг против друга под определенным углом. Как и любой другой мотор, он во многом определяет конструкцию автомобиля.
Немного истории
Впервые ДВС, имеющий практическое применение, был построен немецкими инженерами Г. Даймлером и В. Майбахом в 1883 году. Этот одноцилиндровый силовой агрегат объемом 462 куб. см. развивал мощность 1,1 л. с. Однако этой мощности было недостаточно и в дальнейшем ее наращивание осуществлялось путем увеличения рабочего объема цилиндра. Но этот процесс не мог продолжаться бесконечно, поэтому конструкторы начали постепенно увеличивать количество цилиндров.
Так появились рядные двух- четырех- шести- и даже восьмицилиндровые двигатели. Правда, увеличение количества установленных в один ряд цилиндров более 6-ти значительно увеличивало габаритные размеры подкапотного пространства автомобиля. Кроме большой длины рядные моторы имеют и другие недостатки, например:
В настоящее время разработкой рядных силовых агрегатов занимаются все ведущие производители автомобилей. Связано это с тем, что они просты как в изготовлении, так и в процессе эксплуатации. Отличаются они и высокой ремонтопригодностью.
Понимая, что расположение цилиндров в один ряд – это временное решение, тот же В. Майбах в 1889 году изобрел и запатентовал v образный двигатель. Однако первые такие ДВС начали изготавливать только начиная с 1905 года, причем не в Германии, а в США и Франции.
Особенности конструкции
Конструктивно v образный двигатель значительно сложнее стандартного рядного мотора. Ведь они оснащаются двумя головками блока цилиндров (ГБЦ) и имеют более сложные механизмы газораспределения (ГРМ) и впрыска топлива.
Большое значение в конструкции v образных двигателей играет угол размещения цилиндров относительно друг друга. В процессе эволюции создавались различные конструкции, в которых углы развала цилиндров изменялись от 1 до 180 градусов.
В результате многочисленных экспериментов разработчики пришли к выводу, что наиболее оптимальными являются углы 45, 60 и 90 градусов. Именно эти углы развала цилиндров имеет большинство современных v образных силовых агрегатов.
Основным достоинством v образных моторов является их компактность. При этом, их несколько увеличенная ширина существенного значения на размеры подкапотного пространства автомобиля не оказывает.
Разные углы развала цилиндров используются в различных силовых агрегатах. Некоторые их конфигурации сбалансированы очень хорошо, другие требуют использования дополнительных механизмов. Так, например, v образные двигатели с оптимальным углом развала, такие как:
Достоинства и недостатки
Широкое распространение v образные двигатели получили, в первую очередь, благодаря возможности получения максимального крутящего момента. Достигается это за счет того, что в отличие от рядного мотора (R двигатель), в котором силы, направленные на коленчатый вал, ориентированы перпендикулярно, в v образном силовом агрегате они действуют по касательной с двух сторон. При этом достигается максимальное ускорение коленчатого вала, так как инерция, создаваемая при работе, значительно выше той, которая используется в R-образных моторах.
Кроме того, v образный двигатель имеет большую жесткость коленчатого вала, что :
Силовые агрегаты с v-образным расположением цилиндров не свободны от недостатков. Среди них отмечают:
Однако в настоящее время разработчики владеют соответствующими конструкторскими решениями и технологическими возможностями, позволяющими минимизировать влияние этих недостатков и улучшить ряд технических характеристик этих моторов.
Несмотря на то, что с момента изобретения v образных силовых агрегатов прошло более 100 лет, их потенциал полностью еще не раскрыт. Будущее автомобилестроения несомненно связано именно с этими моторами. Поэтому в этом направлении и работают сейчас многочисленные коллективы разработчиков, стараясь, чтобы их производство стало более технологичным и менее затратным.
Перспективные разработки
Наиболее распространенным среди v образных силовых агрегатов является двигатель v6.
Однако именно он отличается высоким уровнем вибраций и требует достаточно трудоемкой балансировки. В настоящее время существует несколько направлений, в которых эволюционируют двигатели v 6:
Оппозитный мотор – это v образный мотор, у которого угол развала цилиндров составляет 180 градусов. Такая конструкция позволяет значительно снизить центр тяжести и, что особенно важно, взаимно нейтрализовать вибрацию поршней, сделав рабочие характеристики мотора более плавными. Лидером этого направления моторостроения является компания Fuji Heavy Indastries Ltd., которая уже много лет разрабатывает такие двигатели для автомобилей марки Subaru. Оппозитная компоновка позволяет придать блоку цилиндров очень высокую прочность и жесткость, однако значительно усложняет ремонт мотора.
Для справки: оппозитные силовые агрегаты устанавливаются практически на все автомобили Subaru начиная с 1963 года.
Разработка VR образных силовых агрегатов – еще одно направление, по которому развиваются v-образные двигатели. Конструктивно такие моторы представляют собой симбиоз v образного и рядного силового агрегата и отличаются от обычных малым углом развала цилиндров (15 градусов) и наличием одной ГБЦ, которая накрывает оба ряда цилиндров.
Такая компоновка позволяет получить компактный силовой агрегат, который меньше по длине, чем рядный 6-ти цилиндровый мотор и ширине, чем обычный двигатель v6.
Для справки: моторы VR 6 устанавливались на автомобили компании Volkswagen (Passat, Golf, Sharan и др.). Они имели заводские обозначения ААА (объем 2,8 л., мощность 174 л. с.) и ABV (объем 2,9 л., мощность 192 л. с.).
Типы двигателей: V-образный, оппозитный, рядный: отличия и тонкости
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 35 л. с./л для безнаддувного дизеля до 100 л. с./л для форсированного бензинового мотора. Для серийных двигателей это оптимум, выходить за рамки которого просто невыгодно.
Сегодня двигатель мощностью 100 л. 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?
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 л.
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 о и 90 о. А V-образный мотор с углом развала блока 180 о, 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 о. Действительно, такие моторы были, но редко — можно вспомнить, например, автомобили Lancia Fulvia 70-х годов с моторами V4, угол развала блока которых составлял 23 о. 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. 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 о), 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 о.
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 о 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 о 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 о или 90 о, 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 о. 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 о 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…