Конфигурация на двигателите: Редови, V-образни и боксерни двигатели

В зората на 20-ти век, когато автомобилната инженерия напредваше с пълна пара, десетлитров двигател можеше да бъде едноцилиндров или, да речем, редови осемцилиндров. Тогава никой не се учудваше на 23-литров редови шестцилиндров или на седемцилиндров радиален авиационен двигател, присаден в автомобил.

С разрастването на масовото производство и засилването на ценовия натиск всичко си дойде на място. Едноцилиндровият двигател се превърна в реликва от миналото. Днес средният работен обем на цилиндъра в конвенционалния автомобилен двигател е между 300 и 600 кубически сантиметра, а литровата мощност варира от около 35 к.с./л при атмосферен дизел до 100 к.с./л при високопроизводителен бензинов двигател. Това са оптималните стойности за масово производство — излизането извън тях просто не е икономически изгодно.

Как изглежда съвременният пазар на двигатели? Общо казано:

• Двигател с мощност 100 к.с. обикновено има четири цилиндъра
• Двигател с мощност 200 к.с. обикновено работи с четири, пет или шест цилиндъра
• Двигател с мощност 300 к.с. най-често използва осем цилиндъра

Но как всъщност могат да бъдат наредени тези цилиндри? Какви варианти на конфигурация имат инженерите при проектирането на многоцилиндров двигател? Нека го разгледаме подробно.

Редови двигатели: Прости, но все по-непрактични

Въпрос номер едно в съзнанието на всеки конструктор на двигатели е как да опрости конструкцията — да поддържа ниски производствени разходи и лесна поддръжка. В това отношение редовият (прав) двигател е безспорен победител. Цилиндрите са наредени в един ред и увеличаването на работния обем е толкова лесно, колкото добавянето на още цилиндри.

Ето как изглеждат вариантите на редовите двигатели на практика:

• Дву- и трицилиндровите двигатели са сравнително рядко срещани в автомобилите, въпреки че двуцилиндровият формат преживява завръщане благодарение на усъвършенстваното впръскване на гориво и турбокомпресирането — 85-конният турбиран двуцилиндров двигател на Fiat 500 е показателен пример.
• Редовият четирицилиндров е работният кон на света на леките автомобили и покрива работни обеми от 1,0 до 2,4 литра.
• Редовите петцилиндрови двигатели са по-скорошна разработка. Mercedes-Benz е пионер на дизеловия петцилиндров двигател от 1974 г. (300D на платформата W123), следван две години по-късно от двулитровия бензинов петцилиндров двигател на Audi, а след това Volvo и Fiat се присъединяват в края на 80-те години.
• Редовите шестцилиндрови двигатели, дълго любимци в Европа заради плавността си, стават все по-редки. Техният по-дълъг събрат — редовият осемцилиндров, беше изоставен още през 30-те години.

Причината за тази тенденция е проста: колкото повече цилиндри добавяте, толкова по-дълъг става двигателят — а това създава сериозни проблеми с разполагането. Напречното монтиране на редов шестцилиндров двигател в моторно отделение с предно предаване, например, е успявало само в шепа случаи: Austin Maxi 2200 (при който скоростната кутия трябваше да бъде поставена под двигателя) и Volvo S80 с изключително компактната му скоростна кутия.

V-образни и боксерни двигатели: Компактни, но сложни

Как тогава да скъсите редовия двигател? Елегантното решение: разделете го наполовина, наредете двете половини една до друга и задвижете един колянов вал и с двете. Това е същността на V-образния двигател.

Най-разпространените конфигурации на V-образни двигатели използват ъгъл между редовете цилиндри от 60° или 90°. Разширете този ъгъл до 180° — цилиндрите са насочени директно в противоположни посоки — и получавате хоризонтален двигател, известен също като боксерен двигател (оттук и означенията B2, B4, B6).

Компромисите в сравнение с редовия двигател са значителни:

• Две глави на цилиндрите — всяка с собствена уплътнителна гарнитура и колектори
• Повече разпределителни валове и по-сложна конструкция на задвижването на клапаните
• По-голяма ширина (особено при боксерните двигатели), която ограничава мястото на монтиране
• По-висока производствена цена и по-сложна поддръжка

Поради тези недостатъци боксерните двигатели се използват само от малък брой производители — Porsche и Subaru са най-известните днес.

Какво ще кажете за допълнително уплътняване на V-образния двигател чрез намаляване на ъгъла под 60°? Това е правено — Lancia Fulvia от 70-те години използваше V4 с едва 23° ъгъл. Но има едно „но”: колкото по-тесен е ъгълът, толкова по-трудно е да се балансира двигателят. Което ни води до едно от най-критичните предизвикателства в конструкцията на двигателите.

Вибрации на двигателя: Сили, моменти и как да ги укротим

Нито един буталов двигател с вътрешно горене не е напълно свободен от вибрации — това е присъщо на конструкцията. Но управлението на вибрациите е от изключително значение, не само за комфорта на пътниците. Силните небалансирани вибрации могат физически да разрушат компонентите на двигателя, с всички катастрофални последствия, които идват с части, излетели на висока скорост.

Откъде идват вибрациите на двигателя? Има три основни източника:

• Неравномерни интервали на запалване — при някои конфигурации на двигателя работните тактове не се задействат на точно равни интервали, което създава пулсации на въртящия момент. По-тежкият маховик може да помогне за изглаждането им.
• Инерционни сили на буталата — когато буталата се ускоряват нагоре и се забавят в горната мъртва точка (и обратното в долната), те генерират инерционни сили, подобни на това, което усещате, когато автомобилът спира или ускорява.
• Геометрия на биелите — биелото не се движи по права линия и движението на буталото не е перфектна синусоида, което въвежда допълнителни силови компоненти при кратни на честотата на колянов вал.

Тези инерционни сили от по-висок порядък като цяло са пренебрежимо малки — с изключение на силите от втори порядък, които действат при двойна честота на колянов вал и трябва винаги да бъдат отчитани. Когато инерционните сили в съседни цилиндри действат в противоположни посоки на фиксирано разстояние едни от други, те също генерират реактивни двойки, добавяйки още едно ниво на сложност.

Инженерите разполагат с два основни инструмента за борба с тези сили:

• Избор на вродено балансирана конфигурация — наредете цилиндрите и мотовилките на колянов вал така, че силите и моментите да се неутрализират естествено.
• Добавяне на балансиращи валове — вторични валове с противотежести, които се въртят в посока, обратна на колянов вал, генерирайки равни и противоположни сили. Те добавят цена и механична сложност, но могат напълно да неутрализират проблемните режими на вибрации.

От всички разпространени конфигурации на двигатели само две са теоретично напълно балансирани: редовият шестцилиндров и хоризонталният шестцилиндров. Именно затова BMW и Porsche се придържат толкова упорито към тези конфигурации — и защо другите не бързат да ги изоставят въпреки проблемите с разполагането.

Балансиране на двигателя по конфигурация: Практическо ръководство

Нека разгледаме как всяка основна конфигурация на двигателя се справя в реалния свят по отношение на вибрациите и баланса.

Двуцилиндровите редови двигатели (колянови шийки в еднаква посока) се държат подобно на едноцилиндров по отношение на баланса — и двете бутала се движат нагоре и надолу в еднаква фаза. Руската Ока използваше два противоположно въртящи се балансиращи вала за справяне с инерционните сили от първи порядък, но силите от втори порядък бяха оставени без компенсация. Добавянето на още два балансиращи вала щеше да бъде напълно непрактично за толкова малък и евтин автомобил. Много двуцилиндрови двигатели — като оригиналния Fiat 500 от 1957 г. и индийския Tata Nano — просто работеха без балансиращи валове, разчитайки на еластичните опори на двигателя да поглъщат вибрациите. Евтино, просто и приемливо за бюджетни приложения.

Двуцилиндровите двигатели с колянови шийки на 180° (бутала, движещи се в противофаза) осигуряват по-добър първичен баланс, но могат да постигнат равномерни интервали на запалване само при двутактов режим — какъвто е бил използван при предвоенните DKW и техните наследници, източногерманския Trabant.

V-образните двуцилиндрови двигатели оцеляват днес почти изключително на мотоциклети — Harley-Davidson и японските им имитатори са очевидните примери. НАМИ-1 е практически единственият автомобил, използвал някога тази конфигурация. Противотежестите на колянов вал могат да доведат двигателя близо до пълен баланс, но равномерните интервали на запалване остават недостижими.

Трицилиндровите двигатели са по-слабо балансирани от редовите четирицилиндрови. Производители като Subaru и Daihatsu монтират балансиращи валове като стандарт; решението на Opel да пропусне такъв в трицилиндровия Ecotec за второто поколение Corsa спести разходи, но спечели на автомобила лоша репутация в германската автомобилна преса след дебюта му през 1996 г. — той беше описан като „абсолютно невъзможен за каране в града при променливи режими.”

Редовите четирицилиндрови двигатели — най-разпространената конфигурация в света — имат свободна инерционна сила от втори порядък, която може да бъде неутрализирана само от балансиращ вал, въртящ се при двойна скорост на колянов вал. За да се неутрализира получената двойка, е необходим втори противоположно въртящ се вал. Скъпо, да — но Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat и марките от групата Volkswagen са използвали тази конфигурация, когато е изисквано по-голямо удобство.

Хоризонталните четирицилиндрови двигатели се справят малко по-добре от своите редови аналози — остава само двойка от втори порядък, която накланя двигателя около вертикалната му ос. Въпреки това, както въздушноохлажданият двигател на Beetle, така и боксерните агрегати на Subaru са работили без балансиращи валове в продължение на десетилетия.

Редовите петцилиндрови двигатели имат компенсирани първични инерционни сили, но страдат от търкалящ се огъващ момент, който непрекъснато преминава през блока — изискващ изключително твърда конструкция. Mercedes-Benz, Audi и Volvo се справиха с това чрез усъвършенствани опори на двигателя и противотежести (като компресирания 2.5 TFSI в Audi TT RS), докато инженерите на Fiat отидоха по-далеч и използваха пълноценен балансиращ вал.

Един интересен факт: почти всички петцилиндрови двигатели са по същество четирицилиндрови двигатели с един допълнителен цилиндър. Този модулен подход позволява споделяне на бутала, биели и компоненти на газоразпределението — само блокът, главата и колянов вал (с мотовилкови шийки на интервали от 72°) трябва да се сменят.

V6 двигателите, заменили редовите шестцилиндрови, споделят същите характеристики на баланса като трицилиндровия — което означава, не идеални. Първият V6 на Mercedes-Benz (M112, с три клапана на цилиндър) се справи с това чрез балансиращ вал, монтиран в долината между редовете цилиндри. Трилитровият шестцилиндров на групата PSA постави такъв в глава на цилиндрите. Други производители избраха внимателно изместване на шийките на колянов вал — като при V6 на Audi — за минимизиране на вибрациите без добавена сложност. V6 двигателите с ъгъл 90° добавят друго главоболие: вродено неравномерни интервали на запалване, които претегленият маховик може само частично да изглади.

V8 двигателите с ъгъл между редовете 90° и мотовилкови шийки в две взаимно перпендикулярни равнини са много добре балансирани. Равномерните интервали на запалване са постижими и остават само две остатъчни двойки — лесно решими с противотежести на крайните шийки на колянов вал. Това е голяма причина, поради която американските инженери прегърнаха V8 толкова ентусиазирано: те просто не толерират вибрации.

V4 двигателите бяха рядкост и днес са практически изчезнали от автомобилите. Европейският Ford V4 (използван в Taunus, Capri и Saab 96) и причудливият V4 на Запорожец изискваха балансиращ вал за двойките от първи порядък. Компактността и цената бяха движещите фактори — балансът беше второстепенен.

V10 двигателите споделят същите характеристики на баланса като редовия петцилиндров. Това не попречи на конструкторите на двигателите за Формула 1, Dodge Viper или Dodge RAM да ги използват — когато имате нужда от мощност, справяте се с вибрациите.

Що се отнася до по-екзотичните конфигурации: хоризонталният осемцилиндров (използван в болидите Porsche 917) е на практика два хоризонтални четирицилиндрови на общ колянов вал, докато V12 и хоризонталните дванадесетцилиндрови двигатели се свеждат до два редови шестцилиндрови — което обяснява изключителната им плавност.

VR6, VR5 и W-двигателите: Шедьовърът на Volkswagen в опаковането

По-рано споменахме тесноъгълните V-образни двигатели като Lancia Fulvia. В продължение на десетилетия те се избягваха — по-трудни за балансиране от конфигурациите с 60° или 90°, а ползите от компактността не изглеждаха достатъчни. След това приоритетите се промениха.

Две развития промениха играта:

• Хидравличните опори на двигателя станаха широко достъпни, драматично потискайки предаването на вибрации независимо от теоретичния баланс на двигателя.
• Пространството под капака стана все по-оскъдно, превръщайки компактността в ценно предимство. Кой би си представил, че скромен хечбек крие 2,8-литров шестцилиндров двигател? Volkswagen го направи.

Volkswagen VR6 — „VR” е съкращение от V-Reihen (V-редови) — развива тесноъгълната концепция по-далеч от всякога при Lancia, използвайки едва 15° ъгъл между редовете. Резултатът е толкова компактен, че на практика функционира като изместен редов двигател, и забележително — използва единна глава на цилиндрите за двата реда. 2,8-литров шестцилиндров двигател, побиращ се там, където конвенционален V6 не би — дебютирал в третото поколение Volkswagen Golf.

Оттам нататък инженерите на Volkswagen развиха концепцията:

• VR5 се появи като VR6 с премахнат един цилиндър.
• W8 комбинира два съкратени VR агрегата (по четири цилиндъра) на един колянов вал — монтиран в луксозната Passat.
• W12 дебютира през 1998 г. на концепцията W12 Roadster: два VR6 двигателя, свързани под ъгъл 72° на един колянов вал.
• W16 — с четири турбокомпресора — задвижва Bugatti Veyron до 431 км/ч, правейки го най-екстремното серийно приложение на тази архитектура.

Защо тези конфигурации не са съществували преди? Съвременното компютърно проектиране ги направи възможни. Оптимизирането на ъгъла между редовете, позициите на шийките на колянов вал, реда на запалване и балансовите характеристики при такава сложна геометрия щеше да бъде практически невъзможно без изчислителните мощности, достъпни от 90-те години нататък. Само колянов вал на W12 е кошмар за машинист — вид компонент, който има смисъл само когато компютър е проверил всяка допустима грешка.

Какво наистина има значение в реалното проектиране на двигатели

Ако има едно нещо за запомняне от всичко това, то е, че теоретичният баланс рядко е решаващият фактор, когато инженерът избира конфигурация на двигателя. Реалните приоритети са:

• Разполагане — побира ли се в моторното отделение?
• Тегло и плътност на мощността — какво е най-доброто съотношение за приложението?
• Производствени разходи — може ли да споделя компоненти в рамките на модела?
• Модулност — все по-често производителите изграждат цели семейства двигатели на базата на обща архитектура на буталото и диаметъра на цилиндъра, от трицилиндрови икономични варианти до дванадесетцилиндрови флагмани

Настоящата гама двигатели на Mercedes-Benz е показателен пример за модулния подход: обща архитектура е в основата на двигателите при значително различни мощности и брой цилиндри.

И що се отнася до вибрациите — струва си да се помни, че теоретичният и действителният баланс са две съвсем различни неща. Дори перфектно балансираният редов шестцилиндров ще вибрира, ако неговият колянов вал не е правилно балансиран или ако буталата и биелите му се различават забележимо по тегло. Реалните производствени допуски и деформация на компонентите при натоварване означават, че нито един двигател в действителност никога не е толкова плавен, колкото подсказват уравненията. Ето защо конструкцията на опорите на двигателя — начинът, по който силовият агрегат е изолиран от останалата част на автомобила — е не по-малко важна от самата конфигурация. Понякога дори по-важна.

Това е превод. Можете да прочетете оригинала тук: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html