Variklių išdėstymo tipai: eiliniai, V formos ir bokseriniai varikliai

XX amžiaus pradžioje, kai automobilių inžinerija sparčiai vystėsi, 10 litrų variklis galėjo būti tiek vieno cilindro įrenginys, tiek, pavyzdžiui, aštuonių cilindrų eilinis. Tuomet niekas nekreipė ypatingo dėmesio į 23 litrų šešių cilindrų eilinius variklius ar į automobilius su septynių cilindrų žvaigždiniais lėktuvų varikliais.

Plečiantis masinei gamybai ir didėjant kaštų spaudimui, viskas susidėliojo į savo vietas. Vieno cilindro variklis tapo praeitimi. Šiandien vidutinis cilindro darbinis tūris įprastame automobilių variklyje svyruoja tarp 300 ir 600 kubinių centimetrų, o specifinė galia — nuo maždaug 35 AG/l natūraliai kvepiančio dyzelinio variklio iki 100 AG/l aukštos klasės benzininiame variklyje. Tai optimalios masinės gamybos ribos — peržengti jas tiesiog ekonomiškai neapsimoka.

Kaip atrodo šiuolaikinių variklių kraštovaizdis? Apskritai kalbant:

• 100 AG variklis paprastai turi keturis cilindrus
• 200 AG variklis dažniausiai dirba su keturiais, penkiais ar šešiais cilindrais
• 300 AG variklis įprastai naudoja aštuonis cilindrus

Tačiau kaip iš tikrųjų galima išdėstyti cilindrus? Kokias išdėstymo galimybes turi inžinieriai projektuodami daugiacilindrį variklį? Panagrinėkime tai išsamiau.

Eiliniai varikliai: paprasti, bet vis sunkiau pritaikomi

Pagrindinis bet kurio variklio konstruktoriaus klausimas — kaip supaprastinti konstrukciją, išlaikant žemas gamybos sąnaudas ir paprastą priežiūrą. Šiuo požiūriu eilinis (tiesus) variklis laimi be konkurencijos. Cilindrai išdėstyti viename eilėje, o galios didinimas toks paprastas, kaip papildomų cilindrų pridėjimas.

Štai kaip eilinių variklių variantai atrodo praktikoje:

• Dviejų ir trijų cilindrų varikliai automobiliuose yra gana reti, nors dviejų cilindrų formatas vėl grįžta į madą, dėka pažangios kuro injekcijos ir turbokompresorių — 85 AG turbo dviejų cilindrų variklis „Fiat 500″ yra puikus to pavyzdys.
• Keturių cilindrų eilinis variklis yra keleivinio automobilio pagrindas, apimantis tūrius nuo 1,0 iki 2,4 litro.
• Penkių cilindrų eiliniai varikliai yra vėlesnė raida. „Mercedes-Benz” 1974 m. pirmavo su dyzeliniu penkių cilindrų varikliu (300D ant W123 platformos), po dvejų metų sekė „Audi” dviejų litrų benzininis penkių cilindrų variklis, o vėliau, devintojo dešimtmečio pabaigoje, prisijungė „Volvo” ir „Fiat”.
• Šešių cilindrų eiliniai varikliai, ilgą laiką buvę europietiškų konstruktorių favoritai dėl savo sklandumo, tampa vis retesni. Jų dar ilgesnis giminaitis — aštuonių cilindrų eilinis — buvo iš esmės atsisakytas dar ketvirtajame dešimtmetyje.

Šios tendencijos priežastis paprasta: kuo daugiau cilindrų, tuo ilgesnis variklis — o tai sukuria rimtų problemų dėl kompaktiškumo. Pavyzdžiui, šešių cilindrų eilinį variklį įmontuoti skersai priekinės ašies pavara varomame automobilyje pavyko tik keliuose modeliuose: „Austin Maxi 2200″ (kuriam pavarų dėžę reikėjo patalpinti po varikliu) ir „Volvo S80″ su itin kompaktiška pavarų dėže.

V formos ir bokseriniai varikliai: kompaktiški, bet sudėtingi

Kaip sutrumpinti eilinį variklį? Elegantiškas sprendimas: perpus padalyti jį, pastatyti abi puses greta ir valdyti vieną alkūninį veleną abiem pusėmis. Tai ir yra V formos variklio esmė.

Dažniausiai naudojamos V formos variklio konfigūracijos naudoja 60° arba 90° kampą tarp cilindrų eilių. Išplėtus tą kampą iki 180° — kai cilindrai nukreipti tiesiai vienas nuo kito — gaunamas bokserinis variklis, dar žinomas kaip plokščiasis variklis (iš čia kyla B2, B4, B6 žymėjimai).

Palyginti su eiliniu varikliu, kompromisai yra reikšmingi:

• Du cilindrų galvutės — kiekviena su savo tarpikliu ir kolektoriais
• Daugiau gaubtinių velenų ir sudėtingesnė vožtuvų pavaros sistema
• Didesnis plotis (ypač bokserinių variklių atveju), kuris apriboja montavimo vietas
• Didesnės gamybos sąnaudos ir sudėtingesnė techninė priežiūra

Dėl šių trūkumų bokseriniai varikliai naudojami tik nedaugelio gamintojų — šiandien labiausiai žinomi yra „Porsche” ir „Subaru”.

O kaip būtų galima padaryti V formos variklį dar kompaktiškesnį, sumažinant kampą žemiau 60°? Tai buvo padaryta — septintajame dešimtmetyje „Lancia Fulvia” naudojo V4 variklį su vos 23° kampu. Tačiau yra vienas trūkumas: kuo siaurenis kampas, tuo sunkiau subalansuoti variklį. Tai mums atveda prie vieno svarbiausių iššūkių variklio konstruktoriai.

Variklio vibracija: jėgos, momentai ir jų valdymas

Nė vienas stūmoklinių vidaus degimo variklių nėra visiškai laisvas nuo vibracijos — tai būdinga pačiai konstrukcijai. Tačiau vibracijos valdymas yra labai svarbus ne tik keleivių komfortui. Stipri nesubalansuota vibracija gali fiziškai sunaikinti variklio komponentus, su visomis katastrofinėmis pasekmėmis, kai dalys skrenda ore dideliu greičiu.

Iš kur atsiranda variklio vibracija? Yra trys pagrindiniai šaltiniai:

• Netolygūs uždegimo intervalai — kai kuriose variklio konfigūracijose darbo taktai nevyksta tobulai vienodais intervalais, sukeldami sukimo momento pulsavimą. Sunkesnis svyratinis diskas gali padėti šį pulsavimą sušvelninti.
• Stūmoklio inercijos jėgos — kai stūmikliai greitėja aukštyn ir lėtėja viršutinėje taške (ir atvirkščiai apačioje), jie sukuria inercines jėgas, panašias į tas, kurias jaučiame stabdant ar greitinant automobilį.
• Švaistiklio geometrija — švaistiklis juda ne tiesiai, o stūmoklio judėjimas nėra tobulas sinusas, todėl atsiranda papildomos jėgų sudedamosios, veikiančios alkūninio veleno greičio kartotiniais dažniais.

Šios aukštesnės eilės inercijos jėgos paprastai yra nereikšmingos — išskyrus antros eilės jėgas, veikiančias dvigubu alkūninio veleno dažniu, kurių visada reikia atsižvelgti. Kai gretimuose cilindruose inercijos jėgos veikia priešingomis kryptimis per fiksuotą atstumą, jos taip pat sukuria sukimo momentų poras, dar labiau komplikuodamos situaciją.

Inžinieriai turi du pagrindinius įrankius kovoti su šiomis jėgomis:

• Pasirinkti iš prigimties subalansuotą konfigūraciją — išdėstyti cilindrus ir alkūninio veleno suklius taip, kad jėgos ir momentai natūraliai kompensuotų vienas kitą.
• Pridėti balansuojančius velenuosius — antrinius velenus su atsvaromis, besisukančiais priešinga kryptimi alkūninio veleno atžvilgiu, generuojančiais lygias ir priešingas jėgas. Tai didina sąnaudas ir mechaninį sudėtingumą, tačiau gali visiškai neutralizuoti probleminę vibracijos formą.

Iš visų įprastų variklio išdėstymo tipų tik du yra teoriškai tobulai subalansuoti: šešių cilindrų eilinis ir šešių cilindrų bokserinis. Būtent dėl to „BMW” ir „Porsche” taip atkakliai laikosi šių konfigūracijų — ir kodėl kiti nenoriai jų atsisako nepaisant kompaktiškumo iššūkių.

Variklio balansavimas pagal konfigūraciją: praktinis vadovas

Panagrinėkime, kaip kiekviena pagrindinė variklio konfigūracija susidoroja realaus pasaulio sąlygomis vibracijos ir balansavimo požiūriu.

Dviejų cilindrų eiliniai varikliai (sukliai toje pačioje kryptyje) balansavimo požiūriu elgiasi panašiai kaip vieno cilindro variklis — abu stūmikliai kyla ir leidžiasi tuo pačiu metu. Rusiškas „Oka” naudojo du priešpriešine kryptimi besisukančius balansuojančius velenus, kad susidorotų su pirmos eilės inercijos jėgomis, tačiau antros eilės jėgos liko nekontroliuojamos. Dviejų papildomų balansuojančių velenų pridėjimas tokiam mažam ir nebrangiam automobiliui būtų buvęs visiškai nepraktiškas. Daugelis dviejų cilindrų variklių — kaip originalus 1957 m. „Fiat 500″ ir Indijos „Tata Nano” — tiesiog veikė be balansuojančių velenų, pasitelkiant lankstų variklio pakabinimą vibracijos sugėrimui. Pigu, paprasta ir priimtina biudžetinėms programoms.

Dviejų cilindrų varikliai su 180° suklio kampu (stūmikliai juda priešingomis fazėmis) pasižymi geresniu pirminiu balansavimu, tačiau tolygius uždegimo intervalus gali pasiekti tik dvitakčiame režime — kaip naudota prieškariniuose DKW automobiliuose ir jų palikuoniuose — Rytų Vokietijos „Trabant” automobilyje.

V formos dviejų cilindrų varikliai šiandien naudojami beveik išimtinai motocikluose — „Harley-Davidson” ir jo japonų imitatoriai yra akivaizdūs pavyzdžiai. NAMI-1 yra beveik vienintelis automobilis, kada nors naudojęs šį išdėstymą. Alkūninio veleno atsvaros gali priartinti jį prie visiško balanso, tačiau tolygūs uždegimo intervalai lieka nepasiekiami.

Trijų cilindrų varikliai yra prasčiau subalansuoti nei keturių cilindrų eiliniai. Tokie gamintojai kaip „Subaru” ir „Daihatsu” standartiškai montuoja balansuojančius velenus; „Opel” sprendimas neįmontuoti balansuojančio veleno į „Ecotec” trijų cilindrų variklį antrosios kartos „Corsa” modelyje sutaupė sąnaudų, tačiau pelno automobiliui blogą reputaciją Vokietijos automobilių spaudoje po jo debiuto 1996 m. — buvo apibūdintas kaip „absoliučiai neįmanoma vairuoti mieste kintamais режimais”.

Keturių cilindrų eiliniai varikliai — labiausiai paplitęs išdėstymas pasaulyje — turi laisvą antros eilės inercijos jėgą, kurią galima neutralizuoti tik balansuojančiu velenu, besisukančiu dvigubu alkūninio veleno greičiu. Norint panaikinti atsirandančias sukimo momentų poras, reikalingas antras priešpriešia besisukantis velenas. Brangu — taip, tačiau „Mitsubishi”, „Saab”, „Ford”, „Fiat” ir „Volkswagen” grupės prekių ženklai visi naudojo šią sistemą, kai reikėjo didesnio sklandumo.

Keturių cilindrų bokseriniai varikliai yra šiek tiek geriau subalansuoti nei jų eiliniai atitikmenys — lieka tik antros eilės sukimo momentų pora, linkusi sukioti variklį apie vertikalią ašį. Nepaisant to, tiek oro aušinimo „Beetle” variklis, tiek „Subaru” bokseriniai agregatai dešimtmečius apsieina be balansuojančių velenų.

Penkių cilindrų eiliniai varikliai turi kompensuotas pirmines inercijos jėgas, tačiau kenčia nuo besisukančio lenkimo momento, nuolat keliaujančio per bloko konstrukciją — reikalaudamas itin standžios struktūros. „Mercedes-Benz”, „Audi” ir „Volvo” tai sprendė tobulindami variklio pakabinimą ir naudodami atsvaras (pavyzdžiui, su kompresoriu aprūpintas 2,5 TFSI variklis „Audi TT RS”), o „Fiat” inžinieriai žengė toliau ir panaudojo visavertį balansuojantį veleną.

Viena įdomi pastaba: beveik visi penkių cilindrų varikliai iš esmės yra keturių cilindrų varikliai su vienu papildomu cilindru. Šis modulinis požiūris leidžia dalintis stūmikliais, švaistikliais ir vožtuvų pavaros komponentais — keisti reikia tik bloką, galvutę ir alkūninį veleną (su suklio kampais kas 72°).

V6 varikliai, pakeitę šešių cilindrų eilinius, turi tuos pačius balansavimo ypatumus kaip trijų cilindrų variklis — tai nėra idealu. Pirmasis „Mercedes-Benz” V6 variklis (M112, su trimis vožtuvais vienam cilindrui) tai sprendė įmontuodamas balansuojantį veleną į lovelio tarp cilindrų eilių. PSA grupės trijų litrų šešių cilindrų variklis vieną įdėjo į cilindrų galvutę. Kiti gamintojai pasirinko kruopštų alkūninio veleno suklio suklių poslinkį — kaip „Audi” V6 atveju — minimizuojant vibraciją be papildomo sudėtingumo. V6 varikliai su 90° kampu sukelia papildomą problemą: iš prigimties netolygius uždegimo intervalus, kuriuos pasvertas svyratinis diskas gali tik iš dalies sušvelninti.

V8 varikliai su 90° kampu ir alkūninio veleno suklio sukliais dviejose tarpusavyje statmenose plokštumose yra labai gerai subalansuoti. Tolygūs uždegimo intervalai yra pasiekiami, o likusios dvi sukimo momentų poros lengvai sprendžiamos kraštinių atramų atsvaromis alkūniniame velene. Tai viena iš pagrindinių priežasčių, kodėl Amerikos inžinieriai taip entuziastingai priėmė V8: jie paprasčiausiai netoleruoja vibracijos.

V4 varikliai buvo reti ir dabar automobiliuose beveik išnyko. Europinis „Ford” V4 (naudotas „Taunus”, „Capri” ir „Saab 96″ modeliuose) ir „Zaporožec” keistokas V4 abu reikalavo balansuojančio veleno pirmos eilės sukimo momentų poroms kompensuoti. Kompaktiškumas ir kaštai buvo pagrindiniai veiksniai — balansas buvo antraeilis.

V10 varikliai turi tuos pačius balansavimo ypatumus kaip penkių cilindrų eilinis. Tai nesustabdė „Formulės 1″ variklių konstruktorių, „Dodge Viper” ar „Dodge RAM” kūrėjų — kai reikia galios, vibracija valdoma kitomis priemonėmis.

Kalbant apie egzotiškesnius išdėstymus: aštuonių cilindrų bokserinis variklis (naudotas lenktyniniuose automobiliuose „Porsche 917″) iš esmės yra du keturių cilindrų bokseriniai varikliai ant bendro alkūninio veleno, o V12 ir plokščiojo dvylikos cilindrų varikliai redukuojasi į du šešių cilindrų eilinius — tai paaiškina jų išskirtinį sklandumą.

VR6, VR5 ir W formos varikliai: „Volkswagen” erdvės panaudojimo šedevras

Anksčiau minėjome siauro kampo V formos variklius, tokius kaip „Lancia Fulvia”. Dešimtmečius jų buvo vengiama — sunkiau subalansuoti nei 60° ar 90° išdėstymai, o kompaktiškumo nauda neatrodė verta problemų. Tuomet prioritetai pasikeitė.

Du pokyčiai pakeitė žaidimo taisykles:

• Hidrauliniai variklio atramų kronšteinai tapo plačiai prieinami, dramatiškai slopindami vibracijos perdavimą nepriklausomai nuo teorinio variklio balansavimo.
• Erdvė po kapotu tapo vis ribotesnė, padarydama kompaktiškumą itin vertinga savybe. Kas būtų pagalvojęs, kad kuklus hečbekas slepia 2,8 litro šešių cilindrų variklį? „Volkswagen” tai įgyvendino.

Volkswagen VR6 — kai „VR” reiškia V-Reihen (V-eilinis) — siauro kampo koncepciją išvystė toliau nei „Lancia”, naudodamas tik 15° kampą tarp cilindrų eilių. Rezultatas yra toks kompaktiškas, kad iš esmės veikia kaip poslinkinis eilinis variklis, o, kas stebina, naudoja vieną cilindrų galvutę abiem eilėms. 2,8 litro šešių cilindrų variklis, telpa ten, kur įprastas V6 netilptų — debiutavo trečiosios kartos „Volkswagen Golf” automobilyje.

Toliau „Volkswagen” inžinieriai plėtojo šią koncepciją:

• VR5 atsirado kaip VR6 su vienu pašalintu cilindru.
• W8 sujungė du sutrumpintus VR blokus (po keturis cilindrus) ant vieno alkūninio veleno — įmontuotus flagmaniniame „Passat” sedane.
• W12 debiutavo 1998 m. W12 Roadster koncepciniame automobilyje: du VR6 varikliai sujungti 72° kampu ant vieno alkūninio veleno.
• W16 — su keturiais turbokompresiriais — įsuka „Bugatti Veyron” iki 431 km/h greičio, tapdamas kraštutiniausiu šios architektūros pritaikymu serijinėje gamyboje.

Kodėl šie išdėstymai neegzistavo anksčiau? Juos tapo įmanoma sukurti dėl šiuolaikinio kompiuterinio projektavimo. Optimizuoti įtraukimo kampą, alkūninio veleno suklio padėtis, uždegimo tvarką ir balansavimo charakteristikas tokiose sudėtingose geometrijose būtų buvę praktiškai neįmanoma be skaičiavimo galios, prieinamos nuo 1990-ųjų. Vien W12 alkūninis velenas yra mechaniko košmaras — tokia dalis prasminga tik tada, kai kompiuteris patikrina kiekvieną toleranciją.

Kas iš tikrųjų svarbu realiame variklio projektavime

Jei iš viso to galima padaryti vieną išvadą, tai ta, kad teorinis balansavimas retai būna lemiamas veiksnys inžinieriui pasirenkant variklio išdėstymą. Tikrieji prioritetai yra:

• Kompaktiškumas — ar tilps į variklio skyriaus erdvę?
• Svoris ir galios tankis — koks geriausias santykis konkrečiai programai?
• Gamybos sąnaudos — ar galima dalintis komponentais per visą modelių asortimentą?
• Moduliškumas — vis dažniau gamintojai kuria visas variklių šeimas pagal bendrą stūmoklio ir cilindro architektūrą, pradedant trijų cilindrų ekonomiškais agregatais ir baigiant dvylikos cilindrų flagmanais

„Mercedes-Benz” dabartinė variklių linija yra pavyzdinis modulinio požiūrio pavyzdys: bendra architektūra jungia variklius su labai skirtingomis galios charakteristikomis ir cilindrų skaičiumi.

Kalbant apie vibraciją — verta prisiminti, kad teorinis ir faktinis balansavimas yra du labai skirtingi dalykai. Net tobulai subalansuotas šešių cilindrų eilinis variklis drebės, jei jo alkūninis velenas nėra tinkamai subalansuotas arba jei jo stūmikliai ir švaistikliai smarkiai skiriasi svoriu. Realioje gamyboje tolerancijų ir komponentų deformacijos apkrovos metu rezultatai yra tokie, kad joks variklis praktiškai niekada nėra toks sklandus, kaip rodo lygtys. Todėl variklio atramų konstrukcija — tai, kaip jėgainė izoliuojama nuo likusios automobilio dalies — yra lygiai tokia pat svarbi kaip ir pats išdėstymas. Kartais net svarbesnė.

Tai yra vertimas. Originalą galite perskaityti čia: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html