Сначала XX века, когда конструкторская идея неистовствовала вовсю, движок рабочим объемом 10 л мог быть как одноцилиндровым, так, например, и рядной «восьмеркой».

Но рост мощностей, оборотов и жестокая борьба за понижение себестоимости все расставили по местам. Простой одноцилиндровый мотор для автомобилестроителей остался в дальнем прошедшем. Средний объем цилиндра мотора обыденного автомобиля на данный момент — от трехсот до 600 кубических см (плюс-минус 100 «кубиков» в исключительных случаях вроде трехцилиндровой мотоколяски Smart либо рядной 4,5-литровой «шестерки» джипа Nissan Patrol). Литровая мощность — от 35 л.с./л для безнаддувного дизеля до 100 л.с./л для форсированного бензинового мотора. Для серийных движков это оптимум, выходить за рамки которого просто нерентабельно.

Сейчас движок мощностью 100 л.с. будет 4-х цилиндровым, двухсотсильный будет иметь четыре, 5 либо 6 цилиндров, трехсотсильный — восемь...

Но как эти цилиндры расположить? Другими словами — по какой схеме строить многоцилиндровый движок?

Простота и компактность

О чем болит голова у конструктора? Во-1-х, о том, как упростить конструкцию мотора, чтоб он был дешевле в производстве и легче в обслуживании. Другими словами, прирастить КПД.

Самый обычный движок — рядный (мы будем обозначать такие движки индексами R2, R3, R4 и т. д.). Располагаем в ряд необходимое количество цилиндров — получаем нужный рабочий объем.

Двух- и трехцилиндровые движки встречаются на автомобилях нечасто, и рядные в том числе. Зато рядная «четверка» попала в самый массовый спектр рабочего объема легковых автомобилей — от 1.0 до 2.3 л.

Пятицилиндровые рядные моторы появились на серийных автомобилях не так давно — посреди 70-х годов. Первым был Мерседес-бенз со своими дизельными «пятерками» — они появились в 1974 году (на модели 300D с кузовом W123). Через два года увидел свет пятицилиндровый двухлитровый двигатель внутреннего сгорания Ауди. А в конце 80-х годов такие моторы сделали Volvo и FIAT.

Рядные «шестерки», до недавнешнего времени настолько пользующиеся популярностью в Европе, сегодня во мгновение ока стали вымирающим видом. А про рядную «восьмерку« и гласить нечего — с ней фактически распрощались еще в 30-х годах, потому что с ростом числа цилиндров движок становится длиннее, и это делает массу неудобств при сборке. К примеру, втиснуть поперек моторного отдела переднеприводного автомобиля рядную «шестерку» удавалось в считанных случаях — можно припомнить только британский Austin Maxi 2200 середины 60-х годов (тогда конструкторам пришлось упрятать коробку под движком) и новый Volvo S80 с суперкомпактной КПП.

Как укоротить рядный мотор? Его можно «распилить» напополам, поставить две половинки рядом вместе и вынудить работать на один коленвал. Такие моторы, у каких цилиндры размещены в виде латинской буковкы V, в два раза короче рядных — наибольшее распространение получили движки с углом развала блока 60 о и 90 градусов. А V-образный мотор с углом развала блока 180 градусов, в каком цилиндры размещены друг против друга, именуют оппозитным (либо «боксером» — обозначения В2, В4, В6 и т. д. происходят конкретно от слова boxer).

Такие моторы труднее рядных — к примеру, у их две головки цилиндров (любая со собственной прокладкой и коллекторами), больше распредвалов, труднее схема их привода. А оппозитные движки к тому же занимают много места в ширину. Потому из компоновочных суждений они используются достаточно изредка — производителей «боксеров» можно перечесть по пальцам.

Как сделать V-образный движок еще компактнее? Одно из обычных, на 1-ый взор, решений — сделать угол развала блока наименее 60 градусов. Вправду, такие моторы были, но изредка — можно вспомнить, к примеру, авто Lancia Fulvia 70-х годов с моторами V4, угол развала блока которых составлял 23 градуса. Почему же этим не воспользовались все? Здесь появляется другая неувязка — вибрации.

О силах и моментах

Вообщем без вибраций поршневой бензиновый двигатель работать не может — так он устроен. Но биться с ними необходимо, и не только лишь для увеличения комфорта пассажиров.

Сильные неустойчивые вибрации могут вызвать разрушения деталей мотора — со всеми вылетающими и выпадающими оттуда последствиями.

Отчего происходят вибрации? Во-1-х, в неких схемах движков вспышки в цилиндрах происходят неравномерно. Таких схем конструкторы по способности избегают либо стараются делать массивней маховик — это помогает сгладить пульсации вращающего момента.

Во-2-х, при движении поршней вверх-вниз они то разгоняются, то замедляются, из-за чего появляются силы инерции — они сродни тем силам, что принуждают пассажиров автомобиля кланяться при торможении либо вдавливают их в спинки сидений при разгоне.

В-3-х, шатун в движке движется совсем не вверх-вниз, а совершает сложное движение. Ну и возвратно-поступательное перемещение поршня от верхней мертвой точки к нижней тоже нельзя обрисовать обычный синусоидой.

Потому посреди сил инерции возникают составляющие с двойной, тройной, учетверенной частотой вращения коленвала... Этими так именуемыми силами инерции высших порядков, обычно, третируют — они по сопоставлению с основной силой инерции (которой присвоили 1-ый 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 примыкающих цилиндрах силы инерции ориентированы в различные стороны.

Что сделать для того, чтоб уравновесить силы и моменты? Во-1-х, можно избрать схему мотора, в какой цилиндры и кривошипы коленчатого вала размещены таким макаром, что силы и моменты взаимно уравновесят друг дружку — всегда будут равны и ориентированы в обратные стороны.

А если ни одна из уравновешенных схем не подходит — к примеру, из компоновочных суждений? Тогда можно попробовать по-другому расположить шеи коленвала и применить всякого рода противовесы, создающие силы и моменты, равные по величине, но обратные по направлению главным уравновешиваемым силам. Время от времени это можно сделать, разместив противовесы на коленчатом валу мотора. А время от времени — на дополнительных валах, которые именуют балансирными валами противовращения. Именуются они так поэтому, что вертятся в другую сторону, ежели коленвал. Но это усложняет и удорожает движок.

Чтоб облегчить описание степени уравновешенности различных движков, мы подготовили сводную таблицу. Зеленоватым в ней выделены самоуравновешенные силы и моменты, а красноватым — свободные (те, что не уравновешены и вырываются на свободу — через опоры агрегата проходят на кузов автомобиля).

Что все-таки выходит? Из всераспространенных типов движков полностью уравновешенных всего два — это рядная и оппозитная "шестерки". Сейчас осознаете, почему Бмв и Porsche так прочно держатся за такие моторы? Ну, а о причинах, по которым от их отрешаются другие, мы уже упоминали.

Сейчас разглядим поподробнее другие схемы.

Уравновешенные и не очень

Из двухцилиндровых движков на автомобилях сегодня применяется только один — двухцилиндровый рядный мотор с коленчатым валом, у которого кривошипы ориентированы в одну сторону (к примеру, таковой стоит на российскей Оке). Как видно, этот движок по степени уравновешенности похож на одноцилиндровый, так как оба поршня движутся ввысь и вниз сразу, в фазе. Для того, чтоб уравновесить свободные силы инерции первого порядка, в моторе Оки слева и справа от коленвала стоят два вала с противовесами. Как же быть с силами второго порядка?Для того, чтоб с ними совладать, пришлось бы добавить еще два балансирных вала, что на двухцилиндровом моторе, вначале созданном для малеханьких и дешевеньких автомобилей, было бы совсем неприемлимым.

Вобщем, это еще ничего — много двухцилиндровых моторов выпускалось вообщем без балансирных валов. Так было, к примеру, на малышках Fiat 500 эталона 1957 года. Да, вибрации были, их старались погасить подвеской агрегата... Но мотор зато выходил обычным и дешевеньким!

Двухцилиндровый движок, у которого кривошипы ориентированы в различные стороны (под углом 180 о), можно повстречать лишь на байках. Так как поршни в нем всегда движутся в противофазе, то он уравновешен лучше.

Но равномерного чередования вспышек в цилиндрах можно достигнуть лишь на двухтактных моторах — такие движки можно было повстречать на довоенных DKW и их прямых наследниках, пластмассовых гэдээровских Трабантах. Из-за простоты и дешевизны никаких балансирных валов на их тоже не было, а с возникающими вибрациями просто мирились.

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

А до наших дней этот тип мотора дожил лишь на байках — вспомните южноамериканский Harley Davidson и его японских последователей с их V-образными «двойками» во всей блестящей красоте. Таковой мотор можно уравновесить фактически стопроцентно при помощи противовесов на коленчатом валу, но достигнуть равномерного чередования вспышек нереально.

Отлично, что байкеры особенного внимания на вибрации не обращают...

Автомобилей c оппозитным мотором, более уравновешенным из всех двухцилиндровых, было малость — по экономическим и компоновочным суждениям. Можно упомянуть, к примеру, французский Citroen 2CV.

Трехцилиндровый движок уравновешен ужаснее, чем рядная «четверка», и потому производители трехцилиндровых моторов — к примеру, Субару и Daihatsu — стараются оснащать их балансирными валами. Но опелевские двигателисты, не так давно снабдившие Опель Корса новым трехцилиндровым мотором семейства Ecotec, и конструкторы мотора «городского купе» Smart в целях удешевления и уменьшения механических утрат отказались от балансирного вала. Правда, трехцилиндровая Корса уже была раскритикована германскими автожурналистами: «По городку на переменных режимах ездить совсем невозможно».

В самой пользующейся популярностью посреди двигателистов рядной «четверке» остается свободной сила инерции второго порядка. Ее можно уравновесить только балансирным валом, вращающимся с двойной скоростью (вы не запамятовали — сила инерции второго порядка действует с двойной частотой?).

А для компенсации момента от балансирного вала придется ставить очередной, крутящийся в обратную сторону.

Недешево? Непременно. Но, моторы с балансирными валами можно повстречать на автомобилях Митсубиши, Saab, Форд, Fiat, VW. Самый свежайший пример — 2.2-литровая «четверка» из семейства Опель Ecotec.

Кстати, оппозитная «четверка» уравновешена лучше, чем рядная — тут есть только момент от сил инерции второго порядка, который стремится развернуть движок вокруг вертикальной оси. Но и «оппозитник» воздушного остывания знаменитого «Жука», и именитые «боксеры» Субару 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 мотора по блоку повсевременно «пробегает» волна изгибающего момента, потому блок должен быть очень жестким. Но и Мерседес-бенз, и Ауди, и Volvo борются с вибрациями, дорабатывая подвеску агрегата. И только фиатовские мотористы используют балансирный вал, который стопроцентно уравновешивает все моменты.

Кстати, фактически все «пятерки» образованы методом добавления еще 1-го цилиндра к 4-х цилиндровому движку — как кубики в конструкторе. Делают это для того, чтоб с наименьшими производственными и конструкторскими затратами получить более массивные моторы. При всем этом всю начинку, включая поршни, шатуны, клапаны и т. д., можно взять от «четверки». Пригодятся другие блок и головка цилиндров и, само собой, коленчатый вал, кривошипы которого должны быть размещены под углом в 72 градусов.

О шестицилиндровых моторах — мечте исходя из убеждений уравновешенности — мы уже упоминали.

А вот в моторах V6, которые теснят рядные, ситуация с уравновешенностью такая же, как у «трешки», другими словами не ахти. Потому балансирные валы можно узреть на трехлитровом движке V6 Citroen/Peugeot либо на новеньком 3.2-литровом моторе Мерседес-бенз М112. А на других моторах пробуют не усложнять конструкцию и стараются свести уровень вибраций к минимуму за счет улучшенной подвески агрегата и хитроумного смещенного расположения шатунных шеек коленчатого вала (как, к примеру, на Ауди V6).

Добавим сюда очередное 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 только частично. Вот вам и очередной источник вибраций...

V-образные «восьмерки» с углом развала цилиндров в 90 градусов и коленвалом, кривошипы которого размещаются в 2-ух взаимно перпендикулярных плоскостях, очень хорошо уравновешены. В таком моторе можно обеспечить равномерное чередование вспышек, что тоже работает на плавность хода. Остаются неустойчивыми два момента, которые можно стопроцентно утихомирить при помощи 2-ух противовесов на коленчатом валу — на щеках последних цилиндров.

Осознаете, почему америкосы ранее других прочуяли всю красота V-образных моторов?

Вибрации и тряски в собственных автомобилях они очень не обожают...

В итоге можно побеседовать о схемах необыкновенных.

Поначалу можно вспомнить про моторы V4. Таких было малость — европейский Форд эталона 60-х годов (который стоял на автомобилях Форд Taunus, Capri и Saab 96) да чудо-двигатель российского Запорожца. Тут не вышло без уравновешивающего вала для момента от сил инерции первого порядка. Вобщем, конструкторы вышеупомянутых автомобилей выбирали эту схему из критерий компактности и частично экономии, а не за неплохую уравновешенность.

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

Вобщем, конструкторы неких моторов Формулы-1 либо чудовищ Chrysler Viper и Dodge RAM, где стоят движки V10, о вибрациях задумываются далековато не сначала.

Ну, а остальные схемы просто свести к предшествующим. К примеру, оппозитная «восьмерка» (пример внедрения — гоночные болиды Porsche 917) — это две «четверки», работающие на один коленвал. А V-образный и оппозитный двенадцатицилиндровые движки можно свести к двум рядным «шестеркам».

VR6, VR5, W12...

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

Ранее таких схем избегали — уравновесить их труднее, чем моторы с развалом в 60 градусов либо 90 градусов, а выигрыш в компактности тогда ценили не так...

Но сейчас ситуация поменялась. Во-1-х, сделаны и используются гидроопоры агрегата, которые могут существенно ослабить вибрации. Во-2-х, место под капотом сегодня на вес золота. Ведь кто ранее мог для себя представить умеренный хэтчбек с 2.8-литровым мотором? А сейчас — пожалуйста: VW Golf VR6 предшествующего, третьего, поколения!

Этот известный фольксвагеновский движок VR6, «V-образно-рядный» мотор (об этом и гласит обозначение VR), стал предстоящим развитием V-образных движков с малым углом развала блока.

Цилиндры этого мотора разведены на еще наименьший угол, чем на Лянчах — всего на 15 град. Превосходное решение — 2.8-литровая «шестерка» компактнее, чем обыденный мотор V6, да к тому же имеет одну головку блока! А в прошедшем году на автомобилях Фольксваген Golf IV появился движок VR5 — это VR6, от которого «отрезали» один цилиндр.

После чего мотористы концерна VW вообщем как будто с цепи сорвались.

Они выдумали суперкомпактный W-образный движок. W12, которым обеспечен концепт-кар W12 Roadster, — это два мотора 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 движке — жутко поразмыслить, на какую он будет похож буковку...

Почему же таких моторов не было ранее? О новых гидроопорах мы уже упоминали. Есть предпосылки чисто технологического характеристики. Посмотрите, например, на коленвал мотора W12 — такое технологу и в ужасном сне не приснится!

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

Теория и практика

Как видно, при выборе схемы агрегата конструкторы ставят во главу угла совсем не степень уравновешенности. Главное — это успешно вписать в моторный отдел таковой движок, который будет владеть лучшим соотношением массы, размеров и мощности.

Позже, движки на данный момент все почаще строятся по модульному принципу, и кульминацией этого стали фольксвагеновские изыски. Говоря упрощенно, на одной поршневой группе можно выстроить хоть какой мотор — и трехцилиндровый, и W12.

А вибрации... Во-1-х, следует различать теоретическую и действительную уравновешенность мотора. Если коленчатый вал в сборе с маховиком не отбалансирован, а поршни и шатуны приметно отличаются по массе, то трясти будет даже рядную «шестерку».

А позже, действительная уравновешенность всегда существенно ужаснее теоретической — по причинам отличия деталей от номинальных размеров и из-за деформации деталей под нагрузкой.

Так что вибрации «прорываются» из мотора наружу при хоть какой схеме. Потому авто инженеры и уделяют такое внимание подвеске агрегата. По сути, конструкция и размещение опор мотора — более принципиальный фактор, чем степень уравновешенности самого мотора.