Двигатели внутреннего сгорания. Рядный. Оппозитный. V-образный.

Опубликовано: 27.08.2018

  История двигателя строения формировалась спонтанно и хаотично. Первые двигатели были значительны по размеру и рабочему объему. При этом двигатели были простейшими по своей конструкции. Встречались 1 цилиндровые двигатели объемом порядка 8 литров. Здесь много причин, во первых технологии, во вторых низкий КПД, в конце концов отсутствие элементарного опыта и знаний.

 На сегодняшний день даже у современных двигателей КПД составляет порядка 20 %, что ничтожно мало. То есть только порядка 2 литров бензина из 10 залитых в бак тратиться на создание крутящего рабочего момента на валу двигателя, остальное просто вылетает в трубу, переходит в тепловую энергию, трансформируется в детонации, тратиться на силы трения и инерции  и т.д. Тем не менее уже сформировалось общее мнение эффективного двигателя внутреннего сгорания. При этом поршни двигателя и соответственно рабочие камеры имеют довольно ограниченные размеры.  Все дело в том, что компактные механизмы обладают меньшими силами инерции, меньше подвержены детонациям, но об этом далее.  Сейчас прежде всего хотелось сказать, что соотношения цилиндров к общему объему двигателя относятся с соотношением 1 цилиндр на  170-900 см кубических одной рабочей камеры. Слишком маленькие поршни имеют ограничения по своим конструктивным характеристикам, так как даже при высокой компрессии порядка 14-16 атмосфер (бензиновый двигатель) миниатюрность ограничивает и передачу усилий на шатун от поршня.  При слишком значительных размерах поршней невозможно добиться точной сбалансированности  механизма и соответственно получить высокие обороты частоты вращения двигателя, вернее сказать это очень сложно и высокотехнологично.

 

Рис. 1 Так примером малолитражных автомобилей с маленькими цилиндрами являются: рядная «четвёрка» у Subaru R1 — 658 см³. трехцилиндровый Smart — 799 см³ ,  трехцилиндровый Matiz —  796 см³ ,  четырёхцилиндровый Matiz— 995 см³. ,  четырёхцилиндровый Hyundai i10 и Kia Picanto-  1086 см³. Автомобили с двигателями где встречаются цилиндр гиганты: V-образная «восьмёрка» купе Chevrolet Corvette Z06 - 7011 см³,  рядная «шестёрка» Nissan Patrol TB48DE - 4758 см³.

Рядный двигатель

Наименование двигателя говорит само за себя. В таком двигателе все поршни в головке цилиндров расположены рядно – в один ряд.  Такие двигатели наиболее просты по своей конструкции и технологии производства деталей к ним. Подобные двигатели ремонтопригодны в частных мастерских.  Это что говориться классика.

Обозначение двигателей начинается с буквы R. Так R2 значит что в двигателе 2 цилиндра в ряд, R3 три цилиндра в ряд и так далее.  Если относительно расположения цилиндров все понятно, то их базирование на коленчатом валу может быть различным. Смотрите на рисунок 2 ниже

 

Рис. 2  Пример А: трехцилиндровый рядный двигатель с углами между кривошипами 120 градусов, Равномерное по времени зажигание смеси за один период (оборот коленчатого вала) реализовано в конструкции  двигателя по схеме В – двухтактных цикл работы (углы между кривошипами 180 градусов).  Вариант С, фактически альтернатива одному большому поршню, при этом двигатель получается более компактным (такая конструкция двигателя применена на автомобиле «Ока»)

Наиболее распространенными  из рядных двигателей на сегодняшний момент являются четырехцилиндровые двигатели.  Их объем вирируется, как правило в пределах от 1 литра до 2,4 литров.  Многое в эффективности двигателей зависит от подачи топливно-воздушной смеси, но это тема другой статьи. Несимметричная конструкция двигателя относительно коленчатого вала вносит свои коррективы. Так коленчатый вал выполнен с компенсирующими отливами. Фактически они гасят инерционные силы от поступательного движения поршней при вращении коленчатого вала (хорошо видны на рисунке 7)

 

Рис. 3 Пример когда двухцилиндровый двигатель при реализации турбонаддува достигает столь высокой мощности Fiat 500 двигатель 0,9 л – 85 л.с. и самые простые и дешевые двухцилиндровые представители российская Ока и индийская Tata Nano

 

Рис. 4  Рядный пятицилиндровый двигатель от Mercedes Benz

Моторы с шестью цилиндрами в ряд также не популярны. Все дело даже не в том, что они потребляют много бензина, проблема рядных двигателей это их размеры. Такие двигатели хорошо только вписываются в фюзеляж самолета а в капот машины уже не каждой. При установки многоцилиндровых двигателей приходится изощряться чтобы мотор и КПП поместились в одном моторном отсеке. Так Austin Maxi 2200 выпускавшийся в Англии в середине 60-х годов имел коробку передач размещенную под двигателем.  Автомобиль  Volvo S80 с шестью цилиндрами в ряд имеет очень компактную коробкой передач (Рис.5 ). Каково же решение, если требуется повышение мощности, при условии что двигатель должен иметь более компактные формы. Ответ прост половина цилиндров симметрично переноситься оппозитно – друг напротив друга. То есть угол между цилиндрами составляет 180 градусов. Отсюда и название оппозитные двигатели.

Рис. 5 Рядные многоцилиндровые моторы на  Austin Maxi 2200 и Volvo S80

Оппозитный двигатель

 Оппозитные двигатели маркируются буквой B. Что означает Boxer -аналогия перемещения рук от соперника к сопернику на боксерском ринге. Так например B2 означает двухцилиндровый двигатель, B4 четырехцилиндровый и т.д. Плюсы оппозитников очевидны они короче рядных двигателей в два раза. Это как два рядных двигателя, один напротив другого передающий свой крутящий момент на один коленчатый вал. (рис. 6)

 

Рис. 6 Двухцилиндровый оппозитный, хорошо знакомый в советском союзе мотор мотоцикла Урал и французский Citroen 2CV

 

Рис. 7 Четырехцилиндровый оппозитный мотор

Еще одним важным плюсом оппозитников является относительная уравновешенность. Фактически все элементы симметричны, что значительно уменьшает вибрации. Кроме того, конструктивной особенностью является жесткий блок, с центральным креплением вала, что также положительно сказывается на гашении вибраций.

 Стоит заметить что двухцилиндровый оппозитный мотор не уравновешен относительно возникновения вибраций, в следствии того что перемещение двух цилиндров друг к другу или друг от друга пытаются создает крутящий момент для коленчатого вал в вертикальной оси. Точка центра вращения крутящего момента находится между креплениями шатунов на коленчатом валу. Стоит добавить еще два цилиндра которые будут работать в противофазе первым и мы компенсируем этот недостаток оппозитного мотора.

  С плюсами оппозитников мы разобрались, но ведь не бывает все так хорошо. Да действительно, оппозитники фактически требуют две головки, раздвоенную систему питания, более сложную конструкцию и технологию изготовления блока (рис 8)

 

Рис. 8 Оппозитный двигатель от Porsche имеет две одинаковые головки клапанов. При этом привод распределительных валов – цепная передачи имеется спереди и сзади, для распределительного вала одной и второй головки.

V образный двигатель

Фактически V образные моторы это частный случай оппозитников, когда рядные моторы установлены не один напротив другого под 180 градусов, а с углом например 60 или 90 градусов. Здесь возникает желание уменьшить угол между цилиндрами до такого чтобы минимизировать габариты двигателя. Так например выпускавшиеся автомобили Lancia Fulvia в 70-х годах прошлого века имели V образный мотор с углом развала блока 23° (Рис. 8).

 Так в чем же проблема? Дело не в том, что это невозможно разместить конструктивно поршни так близко к друг другу. Дело в том, что мы получаем очень неуравновешенную систему. Перемещение поршней и их инерционные силы не будут уравновешиваться, а даже наоборот будут складываться. Опять получается сложная конструкция коленчатого вала с значительными противовесами. Чем меньше угол, тем сложнее укротить инерционную силу поршней.

Рис. 8 Lancia Fulvia с углом развала блока мотора между цилиндрами в 23 градуса

Кроме противовесов могут применяться компенсационные валы. Фактически такие валы вращаясь создают силу обратную силам вибрации. Так например подобные валы применялись компаниями Audi, VW, Saab,  Ford, Fiat  (Рис. 9)

Рис. 9  Двигатель с четырьмя цилиндрами в ряд и компенсационными валами. Компенсационные валы приводятся цепной передачей от коленчатого вала.  В некоторых случая валы приводятся двумя независимыми цепными передачами от коленчатого вала.

Частные случаи V образного двигателя

Сегодня вопрос мощности и компактности перед конструкторами ведущих авто производителей стоит на первом месте. В связи с этим появились W образные моторы с минимальным углом развала цилиндров – 15 градусов. Начало этой революционной серийной конструцкии мотора положил WV Golf VR6 третьего поколения.

Само обозначение двигателя VR говорит само за себя. V образный с минимальным углом развала таким, что можно добавить букву R рядный. Еще такие двигатели называют смещено рядными.  Дальше больше, мотористы компании Volkswagen взяли два двигателя VR и расположили под углом один к другому (угол составил 72 градуса).

 Так серийно выпускались двигатели W8, которыми был оборудован Passat. 12 цилиндровый W образник стоял на VW Roadster 1998 года Сложность изготовления таких моторов колоссальна. Начиная от конструирования и расчетов и заканчивая технологиями в производстве, что в итоге сказывается на их цене и серии производства.

Сводная информация по детонациям в различных видах двигателей

 Теперь после того как мы пробежались по все конструкциям двигателей немного сухой статистики подтверждающей нашу теорию. .в таблице ниже приведена информация о присутствующих в двигателях внутреннего сгорания силах и о их уравновешенности при работе. Так зеленые клетки указывают на уравновешенность либо отсутствие детонаций. Красные на проблемные силы проявляющиеся при той или иной конструкции мотора. 

Таблица.1 Показатели различных проявляющихся вибраций в двигателях внутреннего сгорания (Для просмотра таблицы в увеличенном размере кликните на ее изображение)

* Поршни в противофазе.

** Уравновешиваются противовесами на коленчатом вале.

 То есть согласно таблице максимально уравновешенные моторы рядный шестицилиндровый, восьмицилиндровый и оппозитный шестицилиндровый. К сожалению такие компоновки совсем не дешевы и как правило применяются уже в автомобилях бизнес класса. 

rss