Конфигурации двигателей: рядные, V-образные и оппозитные

На заре XX века, когда автомобильная инженерия развивалась стремительными темпами, 10-литровый двигатель мог быть как однцилиндровым агрегатом, так и, скажем, рядным восьмицилиндровым. Тогда никого не удивляли ни 23-литровый рядный «шестёрка», ни семицилиндровый авиационный ротативный мотор, пересаженный в автомобиль.

С развитием массового производства и ужесточением требований к себестоимости всё встало на свои места. Одноцилиндровые двигатели ушли в прошлое. Сегодня средний рабочий объём одного цилиндра серийного автомобильного мотора составляет от 300 до 600 кубических сантиметров, а удельная мощность варьируется примерно от 35 л.с./л у атмосферного дизеля до 100 л.с./л у высокофорсированного бензинового агрегата. Это и есть оптимальные зоны для массового производства — выходить за их пределы попросту невыгодно.

Как же выглядит современный двигательный ландшафт? В общих чертах:

• Двигатель мощностью 100 л.с. как правило, четырёхцилиндровый
• Двигатель мощностью 200 л.с. обычно имеет четыре, пять или шесть цилиндров
• Двигатель мощностью 300 л.с. чаще всего восьмицилиндровый

Но как именно можно расположить эти цилиндры? Какие компоновочные решения есть в распоряжении инженеров при проектировании многоцилиндрового двигателя? Разберёмся по порядку.

Рядные двигатели: просты, но всё менее практичны

Главный вопрос, стоящий перед любым конструктором двигателя, — как упростить конструкцию, снизив затраты на производство и обслуживание. В этом отношении рядный двигатель вне конкуренции. Цилиндры выстраиваются в один ряд, а наращивание объёма достигается простым добавлением новых цилиндров.

Вот как выглядят основные варианты рядных двигателей на практике:

• Двух- и трёхцилиндровые двигатели в легковых автомобилях встречаются сравнительно редко, хотя двухцилиндровая компоновка переживает возрождение благодаря современным системам впрыска и турбонаддуву — ярким примером служит 85-сильный турбированный двухцилиндровый мотор Fiat 500.
• Рядная «четвёрка» — рабочая лошадка мира легковых автомобилей с рабочим объёмом от 1,0 до 2,4 литра.
• Рядные пятицилиндровые двигатели появились позднее. Пионером дизельного пятицилиндрового мотора стал Mercedes-Benz в 1974 году (модель 300D на платформе W123), двумя годами позже Audi представила двухлитровый бензиновый пятицилиндровый агрегат, а в конце 1980-х к ним присоединились Volvo и Fiat.
• Рядные «шестёрки», которые долгое время были любимцами европейских производителей за плавность работы, встречаются всё реже. Их более длинный родственник — рядный восьмицилиндровый двигатель — был фактически вытеснен ещё в 1930-е годы.

Причина этой тенденции очевидна: чем больше цилиндров, тем длиннее двигатель — а это создаёт серьёзные проблемы с компоновкой. Поперечная установка рядного шестицилиндрового мотора в моторном отсеке переднеприводного автомобиля удавалась лишь в единичных случаях: Austin Maxi 2200 (где коробку передач пришлось разместить под двигателем) и Volvo S80 с его сверхкомпактной трансмиссией.

V-образные и оппозитные двигатели: компактны, но сложны

Как же укоротить рядный двигатель? Элегантное решение: разделить его пополам, расположить обе половины рядом и приводить единый коленчатый вал от обеих. Это и есть суть V-образного двигателя.

Наиболее распространённые V-образные конфигурации предполагают угол развала цилиндров 60° или 90°. Если увеличить этот угол до 180° — когда цилиндры смотрят строго в противоположные стороны — получается оппозитный двигатель, известный также как боксёр (отсюда обозначения B2, B4, B6).

По сравнению с рядным двигателем такая компоновка несёт ряд существенных недостатков:

• Две головки блока цилиндров — каждая со своей прокладкой и коллекторами
• Большее число распределительных валов и более сложный привод клапанного механизма
• Значительная ширина (особенно у оппозитных двигателей), ограничивающая возможности установки
• Более высокая стоимость производства и сложность технического обслуживания

Из-за этих недостатков оппозитные двигатели применяет лишь небольшое число производителей — сегодня наиболее известны Porsche и Subaru.

Что если попытаться сделать V-образный двигатель ещё компактнее, уменьшив угол развала ниже 60°? Такие попытки были — Lancia Fulvia 1970-х годов оснащалась V4 с углом развала всего 23°. Однако есть одна проблема: чем меньше угол, тем сложнее добиться уравновешенности двигателя. А это подводит нас к одной из ключевых задач в конструировании двигателей.

Вибрация двигателя: силы, моменты и способы борьбы с ними

Ни один поршневой двигатель внутреннего сгорания не свободен от вибрации — это неотъемлемое свойство самого принципа его работы. Однако управление вибрацией критически важно не только для комфорта пассажиров. Сильная несбалансированная вибрация способна физически разрушить детали двигателя со всеми катастрофическими последствиями, которые влечёт разлёт компонентов на высокой скорости.

Откуда берётся вибрация двигателя? Существуют три основных источника:

• Неравномерность рабочих ходов — в некоторых конфигурациях двигателей вспышки происходят с неодинаковыми угловыми интервалами, что порождает пульсации крутящего момента. Маховик большей массы помогает сглаживать их.
• Силы инерции поршней — при разгоне поршня вверх и его торможении в верхней мёртвой точке (и наоборот — в нижней) возникают силы инерции, аналогичные тем, что ощущаются при торможении или разгоне автомобиля.
• Геометрия шатуна — шатун движется не по прямой, и перемещение поршня не является идеальным синусоидой, что порождает дополнительные силовые составляющие на кратных оборотах коленчатого вала.

Высшие гармоники сил инерции, как правило, пренебрежимо малы — за исключением сил второго порядка, действующих с удвоенной частотой вращения коленвала и требующих обязательного учёта. Когда силы инерции в соседних цилиндрах действуют в противоположных направлениях на определённом расстоянии друг от друга, они образуют моменты пар сил, добавляя ещё один уровень сложности.

В распоряжении инженеров два основных инструмента борьбы с этими силами:

• Выбор изначально уравновешенной схемы — такое расположение цилиндров и щёк коленвала, при котором силы и моменты взаимно компенсируются.
• Установка балансирных валов — дополнительных валов с противовесами, вращающихся в противоположном направлении относительно коленчатого вала и создающих равные и противоположные по знаку силы. Это увеличивает стоимость и усложняет конструкцию, но позволяет полностью нейтрализовать нежелательные режимы вибрации.

Из всех распространённых компоновок двигателей лишь две теоретически являются идеально уравновешенными: рядная «шестёрка» и оппозитный шестицилиндровый двигатель. Именно поэтому BMW и Porsche столь упорно придерживаются этих схем — и именно поэтому другие производители не торопятся от них отказываться, несмотря на все компоновочные трудности.

Уравновешенность двигателей разных конфигураций: практическое руководство

Рассмотрим, как основные конфигурации двигателей ведут себя на практике с точки зрения вибрации и уравновешенности.

Двухцилиндровые рядные двигатели с одинаковым направлением движения поршней по балансу схожи с одноцилиндровым: оба поршня движутся в фазе. На российской «Оке» для борьбы с силами инерции первого порядка применялись два балансирных вала, вращавшихся в противоположных направлениях, однако силы второго порядка оставались нескомпенсированными. Установка ещё двух балансирных валов была бы совершенно неоправданной на столь небольшом и доступном автомобиле. Многие двухцилиндровые моторы — как оригинальный Fiat 500 1957 года и индийский Tata Nano — и вовсе обходились без балансирных валов, опираясь на мягкие опоры двигателя для поглощения вибрации. Дёшево, просто и приемлемо для бюджетных применений.

Двухцилиндровые двигатели с коленвалом под углом 180° (поршни движутся в противофазе) обеспечивают лучшую первичную уравновешенность, однако равные интервалы между вспышками достижимы лишь в двухтактном исполнении — как на довоенных DKW и их потомках, восточногерманском Trabant.

V-образные двухцилиндровые двигатели сегодня применяются практически исключительно на мотоциклах — Harley-Davidson и японских подражателях. НАМИ-1 остаётся, пожалуй, единственным автомобилем, использовавшим такую схему. Противовесы на коленвале позволяют приблизиться к полной уравновешенности, однако равномерность вспышек остаётся недостижимой.

Трёхцилиндровые двигатели уравновешены хуже, чем рядная «четвёрка». Subaru и Daihatsu устанавливали балансирные валы в качестве стандартного оснащения; решение Opel отказаться от него в трёхцилиндровом моторе Ecotec для Corsa второго поколения позволило сэкономить, однако принесло автомобилю репутацию «шумного» среди немецкой автомобильной прессы после его дебюта в 1996 году — машину характеризовали как «совершенно невозможную для езды по городу в переменных режимах».

Рядные четырёхцилиндровые двигатели — самая распространённая схема в мире — имеют свободную силу инерции второго порядка, которую можно нейтрализовать только балансирным валом, вращающимся вдвое быстрее коленвала. Для компенсации возникающего при этом момента необходим второй вал, вращающийся в противоположном направлении. Дорого — но Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat и марки группы Volkswagen прибегали к этому решению, когда того требовал уровень комфорта.

Оппозитные четырёхцилиндровые двигатели несколько лучше сбалансированы по сравнению с рядными аналогами — остаётся лишь момент второго порядка, стремящийся раскачать двигатель вокруг вертикальной оси. Тем не менее и воздушный двигатель Beetle, и оппозитные моторы Subaru десятилетиями обходились без балансирных валов.

Рядные пятицилиндровые двигатели имеют скомпенсированные первичные силы инерции, однако страдают от «перекатывающегося» изгибающего момента, непрерывно распространяющегося по блоку, — что требует исключительно жёсткой конструкции. Mercedes-Benz, Audi и Volvo решали эту задачу через тщательно рассчитанные опоры двигателя и противовесы (в частности, на наддувном 2.5 TFSI в Audi TT RS), тогда как инженеры Fiat пошли дальше и применили полноценный балансирный вал.

Любопытная деталь: практически все пятицилиндровые двигатели представляют собой по существу четырёхцилиндровые с одним дополнительным цилиндром. Такой модульный подход позволяет использовать общие поршни, шатуны и детали газораспределительного механизма — меняются только блок, головка и коленчатый вал (с шатунными шейками через 72°).

Двигатели V6, пришедшие на смену рядным «шестёркам», наследуют те же балансировочные характеристики, что и трёхцилиндровый мотор, — то есть далеко не идеальные. Первый Mercedes-Benz V6 (M112, трёхклапанный) решал эту проблему с помощью балансирного вала в развале блока. Группа PSA разместила аналогичный вал в головке блока своего трёхлитрового шестицилиндрового двигателя. Другие производители выбирали смещение шатунных шеек коленвала — как в двигателях Audi V6 — для минимизации вибрации без лишних усложнений. V6 с углом развала 90° создают ещё одну проблему: изначально неравные интервалы между вспышками, которые утяжелённый маховик способен сгладить лишь частично.

Двигатели V8 с углом развала 90° и шатунными шейками в двух взаимно перпендикулярных плоскостях отличаются весьма хорошей уравновешенностью. Равные интервалы между вспышками достижимы, а два остаточных момента пар сил легко парируются противовесами на крайних шейках коленвала. Это во многом объясняет, почему американские инженеры столь охотно выбирали V8: они просто не терпят вибрации.

Двигатели V4 были редкостью и сегодня практически вышли из употребления в автомобилях. Европейский Ford V4 (устанавливавшийся на Taunus, Capri и Saab 96) и своеобразный V4 «Запорожца» требовали балансирного вала для компенсации моментов первого порядка. Главными доводами в пользу этой схемы служили компактность и низкая стоимость — уравновешенность отходила на второй план.

Двигатели V10 имеют те же балансировочные характеристики, что и рядная «пятёрка». Это не помешало конструкторам двигателей Формулы 1, Dodge Viper и Dodge RAM использовать их — когда нужна мощность, с вибрацией справляются.

Что касается более экзотических схем: оппозитный восьмицилиндровый двигатель (как на гоночных Porsche 917) представляет собой по сути два оппозитных «четвёрки» на общем коленвале, тогда как V12 и оппозитный «двенадцатицилиндровый» сводятся к двум рядным «шестёркам» — чем и объясняется их исключительная плавность работы.

VR6, VR5 и W-образные двигатели: компоновочный триумф Volkswagen

Выше мы упоминали узкоугольные V-образные двигатели — такие как Lancia Fulvia. На протяжении десятилетий их избегали: уравновесить их сложнее, чем схемы с углом 60° или 90°, а выигрыш в компактности не казался достаточным оправданием. Но затем приоритеты изменились.

Два события изменили ситуацию:

• Гидравлические опоры двигателя получили широкое распространение, резко снизив передачу вибрации на кузов вне зависимости от теоретической уравновешенности мотора.
• Подкапотное пространство становилось всё теснее, и компактность превратилась в ценнейшее качество. Кто бы мог подумать, что под капотом скромного хэтчбека поместится 2,8-литровый шестицилиндровый двигатель? Volkswagen сделал это возможным.

Volkswagen VR6 — «VR» расшифровывается как V-Reihen («V-рядный») — развивает концепцию узкого угла дальше, чем Lancia, используя угол развала всего 15°. Результат настолько компактен, что двигатель фактически работает как смещённый рядный, и, что примечательно, накрывается единой головкой блока цилиндров для обоих рядов. 2,8-литровый шестицилиндровый двигатель, умещающийся там, где обычный V6 не поместился бы, — дебютировал в третьем поколении Volkswagen Golf.

Инженеры Volkswagen не остановились на достигнутом:

• VR5 появился как VR6 с одним удалённым цилиндром.
• W8 объединил два укороченных блока VR (по четыре цилиндра) на одном коленвале — он устанавливался на флагманский седан Passat.
• W12 дебютировал в 1998 году на концепте W12 Roadster: два двигателя VR6, соединённых под углом 72° на одном коленчатом валу.
• W16 — с четырьмя турбокомпрессорами — разгоняет Bugatti Veyron до 431 км/ч, представляя собой наиболее экстремальное серийное применение этой архитектуры.

Почему такие компоновки не появились раньше? Их сделало возможным компьютерное проектирование. Оптимизация угла развала, расположения шатунных шеек, порядка зажигания и балансировочных характеристик в столь сложной геометрии была бы практически невозможна без вычислительных мощностей, ставших доступными с 1990-х годов. Один лишь коленчатый вал W12 — настоящий кошмар для механика: деталь, обоснованность изготовления которой возможно подтвердить только с помощью компьютера, проверившего каждый допуск.

Что действительно важно в реальном проектировании двигателей

Если и можно сделать один главный вывод из всего вышесказанного, то он таков: теоретическая уравновешенность редко является определяющим фактором при выборе компоновки двигателя. Реальными приоритетами служат:

• Компоновка — вписывается ли двигатель в моторный отсек?
• Масса и удельная мощность — каково оптимальное соотношение для данного применения?
• Стоимость производства — возможна ли унификация деталей в рамках модельного ряда?
• Модульность — всё чаще производители строят целые семейства двигателей на основе единого диаметра цилиндра и поршня: от трёхцилиндровых экономичных агрегатов до двенадцатицилиндровых флагманских моторов

Современная линейка двигателей Mercedes-Benz — образцовый пример модульного подхода: единая архитектура лежит в основе двигателей с совершенно разными мощностными характеристиками и числом цилиндров.

И ещё об одном стоит помнить: теоретическая и реальная уравновешенность — вещи совершенно разные. Даже идеально сбалансированная рядная «шестёрка» будет вибрировать, если сборка коленчатого вала не отбалансирована должным образом или если поршни и шатуны заметно различаются по массе. Производственные допуски и деформация деталей под нагрузкой в реальных условиях означают, что ни один двигатель не работает настолько плавно, как следует из расчётов. Именно поэтому конструкция опор двигателя — способ виброизоляции силового агрегата от кузова автомобиля — не менее важна, чем сама компоновка. А порой и важнее.

Данная статья является переводом. Оригинал можно прочитать здесь: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html