Азбука двигателей
Среди различных характеристик автомобильных двигателей числу и расположению цилиндров отведена роль статистов. И действительно, ими сложно удивить. Между тем, эта пара символов может многое о моторе рассказать.
Текст: Карелов Олег.
При всем кажущемся многообразии конструкций современные двигатели очень похожи друг на друга. Ушли в прошлое времена, когда успешность разработки зависела от таланта и смелости воображения отдельного человека. Тогда история знала громкие победы и поражения, а неординарность мышления и нестандартный взгляд на вещи могли произвести революцию, после которой другие подававшие надежды решения вмиг становились архаизмом.
Сегодня острая конкуренция заставляет производителей действовать осмотрительнее, подвергая каждую конструкцию строгому цензу высокоточных методов компьютерного моделирования. Поэтому во многих областях инженеры уже так близко подобрались к оптимуму, что места для фантазии почти не осталось. И если с современных моторов содрать все яркие этикетки со звучными аббревиатурами, то окажется, что в основном они очень похожи. Системы изменения фаз газораспределения, переменная длина впускного коллектора, регулируемая высота подъема клапанов – всем этим уже давно никого не поразишь. И тем удивительнее, что одно из главных и заметных конструктивных решений – число и расположение цилиндров – пока не выродилось в инженерный штамп: кто-то предпочитает V-образные моторы, кто-то держится за рядные, а кому-то и вовсе оппозитные подавай.
ОДИН В ПОЛЕ НЕ ВОИН
Собственно, к чему все это деление? Почему не обойтись вообще одним цилиндром? Например, вместо 3-литрового 6-цилиндрового мотора сделать одноцилиндровый такого же объема. Ведь встречались же в ранней истории двигателей внутреннего сгорания подобные агрегаты с рабочим объемом в десять и более литров.
Сделать, конечно, можно, но главной проблемой такого мотора станет огромная масса подвижных деталей. Для крупного цилиндра понадобится поршень большого диаметра, длинный прочный шатун, не менее крепкий коленчатый вал. Причем все это будет вынуждено крутиться и двигаться с огромной скоростью, ведь даже 1000 об/мин – это 32 перемещения поршня в секунду! Понятно, что подобный мотор будет чрезвычайно трудно сделать столь же оборотистым, как и 3-литровую «шестерку», у которой цилиндры в пять раз меньше. А чем ниже обороты, тем меньше и мощность.
|
Уже в начале прошлого века производители спортивных автомобилей поняли, что одного цилиндра явно недостаточно. Правда, рабочий объем все равно оставался огромным даже для многоцилиндрового мотора. Этот Ford 999 1902 года оснащен 4-цилиндровым двигателем объемом 18,8 литра и мощностью 70л.с. Максимальные обороты не превышали и 1000об/мин. |
Впрочем, отдачу мотора можно повысить и за счет крутящего момента, т.е. наращивая рабочий объем. Например, если увеличить его вдвое, т.е. теоретически, прежнюю мощность можно развить при оборотах, вдвое меньших. Однако пострадает экономичность: при малой нагрузке бензиновый двигатель большого объема будет работать неэффективно.
Сбережению топлива не поспособствует и тяжелый кривошипношатунный механизм одноцилиндрового мотора. Кроме того, проблем добавит неравномерность хода: вспышки в единственном цилиндре будут происходить довольно редко, из-за чего потребуется установка тяжелого маховика, сглаживающего пульсации крутящего момента. Все это опять же приведет к общему утяжелению механизма и, соответственно, увеличению затрат энергии.
В общем, одного цилиндра явно недостаточно – при том же объеме многоцилиндровый мотор будет и мощнее, и экономичнее, и долговечнее. Впрочем, в противоположную крайность тоже впадать не стоит. Копия 1,5-литрового 16-цилиндрового мотора, который устанавливался в 60-е годы прошлого века на болиды «Формулы-1» команды BRM, вне жестких рамок гоночного регламента едва ли оправданна. Ведь как показывает практика, оптимальный объем одного цилиндра должен находиться в пределах 0,3–0,6 л. Но остается вопрос: как их расположить?
НАЗАД В БУДУЩЕЕ
|
Isotta Fraschini Type8. Первый автомобиль с рядной восьмеркой. 5,8л, 90л.с. при 2200 об/мин. |
Самый простой способ – это разместить цилиндры в ряд. Именно такие моторы и пришли на смену одноцилиндровым агрегатам в начале ХХ века, когда автомобиль постепенно стал превращаться в реальное средство передвижения. Двигатели поначалу были 2- и 4-цилиндровыми, но вскоре автопроизводители освоили более объемные рядные 6-, а позже и 8-цилиндровые модели (тому благоприятствовали и низкие цены на топливо). Рядные «восьмерки» продержались на конвейерах недолго – уж слишком громоздкими, даже по меркам тех лет, получались агрегаты. Однако именно они натолкнули инженеров на идею V-образной конструкции, т.е. мотора, образованного двумя рядными двигателями, работающими на общий коленвал.
Уже в 1910 году французская фирма De Dion начала серийное производство первой V-образной «восьмерки», а в 1915-м к ней присоединился и Cadillac, утвердивший эту схему в качестве стандарта для американских автомобилей на многие десятилетия вперед.
Годом позже, в 1916-м, Packard представил V-образный 12-цилиндровый мотор, а в 1930 году Cadillac выпустил даже двигатель V16! Но этот монстр оказался лебединой песней эпохи гигантских моторов, ибо автопроизводители потихоньку начали разворачиваться в сторону компактных и экономичных силовых установок.
Популярность стали набирать моторы V6. Появились первые оппозитные двигатели, т.е. V-образные с углом развала 180 градусов. При этом рядные моторы ограничились шестью цилиндрами, а их гамма пополнилась 3- и 5-цилиндровыми моделями.
Лишь спустя десятилетия – в 90-е – Volkswagen удивил всех рядно-смещенным двигателем VR6 – V-образным мотором с настолько малым углом развала (всего 15 градусов), что все шесть цилиндров удалось накрыть одной широкой головкой блока! Идея оказалась удачной – вскоре появилась 5-цилиндровая модификация, а затем и впечатляющий W12, который представлял собой V-образный агрегат, составленный из двух VR6. Кстати, схожим образом сконструирован и W16 от Bugatti Veyron – только он образован уже парой VR8.
НА ЛЮБОЙ ВКУС
|
Главное и единственное преимущество рядно-смещенных и W-образных моторов – это компактность. 12-цилиндровая модель лишь чуть длиннее V6! Первым автомобилем с W-образным мотором стал 8-цилиндровый Volkwagen Passat W8 в 2001 году. Правда, машина получилась дорогой и не слишком мощной для своей сложности (275 л.с.), а потому не пользовалась спросом. |
Сегодня схемы построения моторов делятся на два типа: рядные и V-образные. Последние в зависимости от угла развала могут иметь вариации в виде оппозитных (угол 180 градусов) и рядно-смещенных (с общей головкой блока) моделей. В чем же заключаются основные достоинства и недостатки приведенных схем двигателей?
Основные различия, конечно, кроются в габаритах: моторные отсеки нынешних автомобилей настолько тесны, что борьба идет за каждый сантиметр пространства. Поэтому длинные рядные 6-цилиндровые модели пора уже заносить в Красную книгу – их масштабным производством занимаются лишь BMW, Volvo да Chevrolet. Вдвое сократить длину мотора позволяет V-образное расположение цилиндров. Однако и в этом случае производители вынуждены «играть» с углом развала, чтобы вписать двигатель в подкапотное пространство. При этом рекорд компактности, разумеется, принадлежит рядно-смещенным моторам VR и их производным – W-образным агрегатам. Например, возможность применения на седане Audi A8 полноприводной трансмиссии в паре с 12-цилиндровым двигателем обусловлена именно компактностью W-образной схемы.
Оппозитные же моторы, в выпуске которых преуспели Porsche и Subaru, скромностью габаритов не отличаются: широкому размаху их блока цилиндров мешают даже лонжероны кузова. Но зато эти плоские двигатели обладают максимально низким центром тяжести, что очень важно с точки зрения управляемости автомобиля.
ДЕРЖИТЕ МЕНЯ!
Так что же, будущее за моторами VR? Не все так просто. Есть еще один немаловажный фактор, способный внести заметные коррективы в выстроенную табель о рангах. Речь идет об уравновешенности – основной характеристике двигателя, определяющей его вибронагруженность. Недооценивать данный аспект не стоит, поскольку от него зависит не только утомляемость человека за рулем, но и ресурс автомобиля в целом – постоянная тряска не идет на пользу ни силовому агрегату, ни кузову.
|
Идеально уравновешенные двигатели V12, а так же оппозитные и рядные шестерки нашли широкое применение и в автоспорте, и в люксовом сегменте автомобилей. То есть там, где требуется максимальная эффективность, надежность и плавность работы. |
Источников вибрации в двигателе предостаточно. Это и периодические вспышки в цилиндрах, и силы инерции движущихся поршней и шатунов, и центробежные силы, воздействующие на вращающийся коленвал, и моменты от этих сил, приложенных на расстоянии. Причем составляющие сил инерции действуют на детали двигателя не только с частотой вращения коленвала, но и с удвоенной, утроенной частотой.
Чтобы все это как-то утихомирить, разработчики вынуждены искать такой вариант расположения цилиндров, при котором обеспечивается равномерное чередование вспышек, а силы инерции и их моменты уравновешивают друг друга. Как оказалось, среди множества применяемых ныне схем этим требованиям удовлетворяют лишь рядная и оппозитная «шестерки», а также V12. Вот почему баварцам так полюбились рядные 6-цилиндровые моторы.
УКРОЩЕНИЕ СТРОПТИВЫХ
Но как же быть с остальными двигателями? Чтобы их уравновесить, приходится использовать разнообразные противовесы на коленчатом валу или даже отдельные балансирные валы. Впрочем, иногда удается обойтись чем-то одним. Так, свободные моменты в моторе V8 легко уравновесить противовесами на коленвале, а популярная рядная «четверка» избавляется от тряски установкой балансирных валов. Особых проблем не доставляет и оппозитный 4-цилиндровый мотор. А вот с рядными «тройками», «пятерками» и двигателями V6 и V10 дела обстоят похуже. Для борьбы с вибрациями здесь приходится задействовать весь арсенал. При этом у V-образной «шестерки» с углом развала в 90 градусов (самым распространенным) еще и вспышки в цилиндрах чередуются неравномерно! Приходится либо уменьшать угол до 60 градусов (но при этом возрастает высота мотора), либо использовать более тяжелый маховик, что снижает экономичность.
Однако все это лишь цветочки по сравнению с тем букетом проблем, которым обладают рядно-смещенные моторы VR5, VR6 и родственный им W12. Их уравновешивание – это процесс поиска компромисса, требующий сложных расчетов. Помимо прочего в ход идут специальные гидроопоры двигателя, которые ослабляют вибрации и смещают резонанс в область частот, менее заметных для человека.
Словом, любопытная получается картина. По ней можно не только оценить сложность тех дилемм, с которыми сталкиваются инженеры, но и вообще понять идеологию автопроизводителей: одни изобретают сверхсложные механизмы, стараясь не отстать от моды, другие хранят верность четкой логике и классическим стройным решениям. Что лучше? Каждый решает для себя сам.?
|
