Рядный и v образный двигатель

Автомобили

Рядный и v образный двигатель

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?

Рядный и v образный двигатель

Рядный и v образный 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.

Рядный и v образный двигатель

Рядный и v образный двигатель

Рядный и v образный двигатель

Рядный и v образный двигатель

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.

Рядный и v образный двигатель

Рядный и v образный двигатель

Рядный и v образный двигатель

Рядный и v образный двигатель

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.

Читайте также:  Как защитить кузов автомобиля от сколов

Рядный и v образный двигатель

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.

Рядный и v образный двигатель

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.

Читайте также:  Масляный фильтр для ларгуса 16 кл

Рядный и v образный двигатель

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.

Рядный и v образный двигатель

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…

Одним из основных признаков, по которому классифицируют двигатели внутреннего сгорания (ДВС), является их компоновочная схема. Она определяет расположение мотора в подкапотном пространстве, его габаритные размеры и ориентацию осей ведущих элементов (цилиндров и поршней). Выбор общей компоновки агрегата зависит от характеристик, которые он должен обеспечить в процессе эксплуатации. На сегодняшний день используются пять базовых схем двигателей: рядные, V-образные, W-образные, оппозитные и VR-моторы. Каждая из схем имеет свои достоинства, недостатки и сферу применения.

Особенности конструкции рядного двигателя

Наиболее распространенным типом ДВС являются рядные конструкции. Они предполагают расположение цилиндров с поршнями в один ряд, что обеспечивает их воздействие на общий коленчатый вал. Основной сферой применения этого типа двигателей являются легковые автомобили, а также сельскохозяйственная и грузовая техника. В качестве топлива может использоваться как бензин, так и дизель. Количество цилиндров в таком моторе может достигать и двенадцати, но обычно это максимум шесть.

Рядный и v образный двигатель Рядный двигатель в разрезе

Преимуществами применения рядных компоновочных схем можно назвать следующие характеристики:

  • простота конструкции;
  • равномерный износ деталей;
  • низкая стоимость;
  • легкость в обслуживании;
  • уравновешенность.

Недостатками рядных агрегатов являются:

  • большие габаритные размеры, особенно для конструкций с большим числом цилиндров;
  • большой вес двигателя;
  • коленчатый вал может испытывать большие нагрузки из-за повышенной длины.
Читайте также:  Приора провалы при резком нажатии на газ

Что представляет собой V-образный двигатель?

С увеличением числа цилиндров в двигателе рядные конструкции стали менее удобными, а потому им на смену пришла V-образная компоновочная схема. Она предполагает установку цилиндров с поршнями попарно, друг напротив друга и под углом. Последний получил наименование угол развала и может варьироваться от 10° до 120° между осями. Количество цилиндров в таких агрегатах от шести до двенадцати, но это всегда четное число. Многие автопроизводители благодаря V-образной компоновочной схеме получили возможность экспериментировать с количеством цилиндров, увеличивая их число до двадцати четырех, но в серийном производстве таких автомобилей пока нет.

В зависимости от величины угла развала достигаются определенные характеристики двигателя. Так, например небольшой угол позволяет объединить в моторе достоинства и рядных, и V-образных моторов.

Среди плюсов V-образных моторов можно отметить:

  • компактность конструкции;
  • более длительный срок эксплуатации двигателя;
  • эффективная и динамичная работа на различных оборотах.

В числе недостатков:

  • конструкция такого агрегата более сложна, поскольку имеет две головки блока цилиндров;
  • высокая стоимость изготовления;
  • большие вибрации при работе;
  • сложности с балансировкой.

В чем отличия оппозитного двигателя?

Фактически оппозитный двигатель является частным случаем V-образного. Его принцип работы основан на том, что угол развала цилиндров в таком моторе составляет 180°. Иными словами, пары цилиндров с поршнями лежат в горизонтальной плоскости. Поскольку поршни при работе такого двигателя движутся навстречу друг другу, они получили название «боксеры». Количество цилиндров в оппозитных моторах может быть от двух до двенадцати, при этом наибольшую популярность приобрели схемы с четырьмя и шестью цилиндрами.

Рядный и v образный двигатель Оппозитный двигатель в разрезе

Преимуществами такой компоновки являются следующие характеристики:

  • большая устойчивость автомобиля, достигаемая благодаря смещению центра тяжести;
  • более длительный срок эксплуатации за счет увеличения жесткости цилиндров;
  • максимальная безопасность — при столкновении такой двигатель уходит вниз, а не в салон;
  • пониженный уровень вибрации и шума при работе мотора;
  • снижение веса основных узлов.

Недостатками системы являются:

  • большие затраты на обслуживание и ремонт;
  • высокая стоимость изготовления двигателя;
  • повышенный расход смазочных материалов.

Как работает W-образный двигатель?

Принципиальным отличием W-образного двигателя является расположение цилиндров с поршнями в три или четыре ряда, при этом они воздействуют на общий коленчатый вал. Угол развала составляет менее 90°. Некоторые модели W-образных двигателей предусматривают расположение цилиндров в шахматном порядке, и каждая секция имеет свою ГБЦ. Применяются такие компоновочные схемы не только в автомобильных моторах, но и в авиации.

Также как и V-образный двигатель, такой мотор может иметь до двенадцати цилиндров. Однако основным его преимуществом является еще более компактная конструкция. Главным недостатком W-образной схемы можно назвать необходимость изготовления коленчатого вала сложной формы, а также использование многоуровневой системы охлаждения, что существенно повышает стоимость производства мотора.

Устройство и достоинства VR-двигателя

Рядно-смещенная компоновка, или VR-двигатель, представляет собой комбинацию рядного и V-образного моторов. Угол развала в таком двигателе очень мал — 15°, а цилиндры с поршнями расположены в шахматном порядке. В отличие от классического V-образного двигателя, такая схема обеспечила максимальную компактность, которая позволила использовать общую головку блока цилиндров для обоих рядов.

Несмотря на такое преимущество, как компактность, основным недостатком этой конструкции стала высокая вибрационная нагрузка. Данный тип двигателя сегодня почти не применяется.

В последние годы компоновочные схемы поршневых двигателей практически не изменяются. Это обусловлено отсутствием необходимости увеличения числа цилиндров, поскольку рост мощности для большинства современных автомобилей обеспечивается, например, за счет турбонаддува. Однако повышение компактности и уменьшение массы по-прежнему остаются главной задачей при разработке новых конструкций и схем.

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.

Добавить комментарий

4 × 4 =