Конфігурація двигунів: рядні, V-подібні та опозитні

На зорі XX століття, коли автомобільна інженерія розвивалася шаленими темпами, 10-літровий двигун міг бути як одноциліндровим агрегатом, так і, скажімо, рядною «вісімкою». Тоді нікого не дивував 23-літровий рядний шестициліндровий або семициліндровий зірчастий авіадвигун, пересаджений в автомобіль.

З розгортанням масового виробництва та посиленням тиску на собівартість усе стало на свої місця. Одноциліндровий двигун перетворився на реліквію минулого. Сьогодні середній об’єм циліндра у звичайному автомобільному двигуні становить від 300 до 600 кубічних сантиметрів, а питома потужність коливається від приблизно 35 к.с./л у атмосферному дизелі до 100 к.с./л у високофорсованому бензиновому двигуні. Це оптимальні діапазони для масового виробництва — виходити за їх межі просто невигідно.

То як виглядає сучасний ринок двигунів? Загалом кажучи:

• Двигун потужністю 100 к.с. зазвичай має чотири циліндри
• Двигун потужністю 200 к.с. як правило має чотири, п’ять або шість циліндрів
• Двигун потужністю 300 к.с. найчастіше використовує вісім циліндрів

Але яким чином можна розташувати ці циліндри? Які варіанти компонування є у конструкторів при розробці багатоциліндрового двигуна? Розберімося по порядку.

Рядні двигуни: прості, але дедалі менш практичні

Головне питання для будь-якого конструктора двигунів — як спростити конструкцію, зберігши низьку собівартість виробництва та зручність технічного обслуговування. З цієї точки зору рядний двигун виграє беззаперечно. Циліндри розташовані в один ряд, а збільшення робочого об’єму зводиться до додавання нових циліндрів.

Ось як виглядають різновиди рядних двигунів на практиці:

• Дво- та трициліндрові двигуни в автомобілях зустрічаються відносно рідко, хоча дворядний формат переживає відродження завдяки сучасним системам уприскування палива та турбонаддуву — яскравий приклад тому — турбований двоциліндровий двигун потужністю 85 к.с. у Fiat 500.
• Рядна «четвірка» — справжня робоча конячка світу легкових автомобілів, що охоплює об’єми від 1,0 до 2,4 літра.
• Рядні п’ятициліндрові двигуни — відносно недавня розробка. Першопрохідником дизельного п’ятициліндрового став Mercedes-Benz у 1974 році (модель 300D на платформі W123), за яким через два роки пішов двохлітровий бензиновий п’ятициліндровий Audi, а наприкінці 1980-х до них приєдналися Volvo та Fiat.
• Рядні шестициліндрові двигуни, що довгий час були улюбленцями європейських виробників завдяки своїй плавності роботи, стають дедалі рідшими. Їхній ще довший родич — рядна «вісімка» — фактично зник ще в 1930-х роках.

Причина цієї тенденції проста: що більше циліндрів — то довший двигун, а це створює серйозні проблеми з компонуванням. Поперечна установка рядної «шістки» в моторний відсік переднє привідного автомобіля вдавалася лише в поодиноких випадках: Austin Maxi 2200 (де довелося заховати коробку передач під двигун) та Volvo S80 з надкомпактною коробкою передач.

V-подібні та опозитні двигуни: компактні, але складні

Як же вкоротити рядний двигун? Елегантне рішення: розрізати його навпіл, розташувати обидві половини поруч і примусити їх крутити один колінчастий вал. Ось у чому суть V-подібного двигуна.

Найпоширеніші конфігурації V-подібних двигунів використовують кут між рядами циліндрів 60° або 90°. Якщо розвести цей кут до 180° — тобто циліндри дивляться прямо в протилежні сторони — отримаємо опозитний двигун, відомий також як боксер (звідси позначення B2, B4, B6).

Порівняно з рядним двигуном компроміси суттєві:

• Дві головки блока циліндрів — кожна зі своєю прокладкою та колекторами
• Більше розподільних валів і складніший привід клапанів
• Більша ширина (особливо у опозитних двигунів), що обмежує можливості установки
• Вища вартість виробництва і складніше технічне обслуговування

Через ці недоліки опозитні двигуни використовує лише невелика кількість виробників — найпомітніші сьогодні Porsche та Subaru.

А що, якщо зробити V-подібний двигун ще компактнішим, зменшивши кут між рядами нижче 60°? Такі спроби були — Lancia Fulvia 1970-х років мала V-подібний четвертициліндровий двигун із кутом усього 23°. Але є підводний камінь: що вужчий кут, то важче збалансувати двигун. А це підводить нас до однієї з найважливіших проблем у конструюванні двигунів.

Вібрація двигуна: сили, моменти та методи боротьби з ними

Жоден поршневий двигун внутрішнього згоряння не позбавлений вібрацій повністю — це невід’ємна риса конструкції. Проте управління вібраціями має вирішальне значення — і не лише для комфорту пасажирів. Сильні незрівноважені вібрації здатні фізично руйнувати деталі двигуна, і наслідки відлітання частин на великій швидкості можуть бути катастрофічними.

Звідки беруться вібрації двигуна? Є три основні джерела:

• Нерівномірні інтервали між спалахами — у деяких конфігураціях двигунів робочі ходи не відбуваються через рівні проміжки часу, що створює пульсацію крутного моменту. Важчий маховик може частково згладити цей ефект.
• Сили інерції поршнів — коли поршні прискорюються вгору та гальмують у верхній мертвій точці (і навпаки — у нижній), вони генерують інерційні сили, схожі на ті, що відчуває пасажир при гальмуванні або розгоні автомобіля.
• Геометрія шатуна — шатун не рухається по прямій лінії, а переміщення поршня не є ідеальною синусоїдою, що породжує додаткові складові сил на кратних частотах обертання колінчастого вала.

Вищі гармоніки інерційних сил зазвичай незначні — за винятком сил другого порядку, що діють на подвійній частоті обертання колінчастого вала та завжди потребують урахування. Коли інерційні сили в сусідніх циліндрах діють у протилежних напрямках на певній відстані одна від одної, вони також утворюють моментні пари, додаючи ще один рівень складності.

Інженери мають два основні інструменти для боротьби з цими силами:

• Вибір апріорі збалансованої конфігурації — таке розташування циліндрів і кривошипів колінчастого вала, за якого сили та моменти взаємно компенсуються.
• Встановлення балансирних валів — допоміжних валів із противагами, що обертаються у протилежному напрямку відносно колінчастого вала та генерують рівні та протилежні за напрямком сили. Це збільшує вартість і механічну складність, але дає змогу повністю усунути проблемні форми вібрацій.

З усіх поширених компонувань двигунів лише два є теоретично ідеально збалансованими: рядна «шістка» та опозитна «шістка». Саме тому BMW та Porsche так завзято тримаються за ці конфігурації — і чому інші виробники не поспішають від них відмовлятися, попри складнощі з компонуванням.

Баланс двигунів за конфігурацією: практичний довідник

Розглянемо, як кожна основна конфігурація двигуна поводиться на практиці з точки зору вібрацій та збалансованості.

Рядні дворядні двигуни (кривошипи в одному напрямку) за характером балансування нагадують одноциліндровий — обидва поршні рухаються синфазно. Російський автомобіль «Ока» використовував два балансирних вали, що оберталися у протилежних напрямках, для боротьби з інерційними силами першого порядку, тоді як сили другого порядку залишалися неврівноваженими. Додавати ще два балансирних вали на такому маленькому та дешевому автомобілі було б абсолютно нераціонально. Чимало двоциліндрових двигунів — як оригінальний Fiat 500 1957 року та індійський Tata Nano — просто обходилися без балансирних валів, покладаючись на пружні підушки двигуна для поглинання вібрацій. Дешево, просто та прийнятно для бюджетних застосувань.

Дворядні двигуни з кривошипами під кутом 180° (поршні рухаються в протифазі) забезпечують кращий первинний баланс, але рівномірні інтервали між спалахами досяжні лише у двотактному варіанті — саме так і влаштовані довоєнні двигуни DKW та їхні нащадки, що встановлювалися на східнонімецький Trabant.

V-подібні двоциліндрові двигуни сьогодні збереглися майже виключно на мотоциклах — Harley-Davidson та його японські послідовники є очевидним прикладом. НАМІ-1 залишається фактично єдиним автомобілем, коли-небудь оснащеним таким компонуванням. Противаги на колінчастому валу здатні наблизити його до повного балансування, але рівномірних інтервалів між спалахами досягти неможливо.

Трициліндрові двигуни збалансовані гірше, ніж рядна «четвірка». Такі виробники, як Subaru та Daihatsu, встановлюють балансирні вали в стандартній комплектації; рішення Opel відмовитися від нього в трициліндровому двигуні Ecotec для другого покоління Corsa заощадило кошти, але після дебюту автомобіля в 1996 році заробило йому сумну репутацію в очах німецької автомобільної преси — його охарактеризували як «абсолютно неможливий для їзди по місту в перемінних режимах».

Рядні чотирициліндрові двигуни — найпоширеніше компонування у світі — мають вільну інерційну силу другого порядку, нейтралізувати яку можна лише балансирним валом, що обертається вдвічі швидше за колінчастий. Для компенсації виникаючого при цьому моменту потрібен другий вал, що обертається у протилежному напрямку. Дорого — але Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat та бренди Volkswagen Group вдавалися до цього рішення там, де вимоги до плавності ходу були визначальними.

Опозитні чотирициліндрові двигуни балансуються дещо краще за своїх рядних побратимів — залишається лише моментна пара другого порядку, що прагне повертати двигун навколо вертикальної осі. Попри це, і повітряний двигун «Жука», і опозитні агрегати Subaru десятиліттями обходяться без балансирних валів.

Рядні п’ятициліндрові двигуни мають скомпенсовані первинні інерційні сили, однак страждають від хитного моменту, що постійно «мандрує» блоком, — а це вимагає виключно жорсткої конструкції. Mercedes-Benz, Audi та Volvo вирішували цю проблему за допомогою вдосконалених підушок двигуна та противаг (наприклад, на наддувному 2,5 TFSI в Audi TT RS), тоді як інженери Fiat пішли далі і застосували повноцінний балансирний вал.

Цікавий факт: майже всі п’ятициліндрові двигуни є, по суті, чотирициліндровими з одним доданим циліндром. Такий модульний підхід дозволяє використовувати спільні поршні, шатуни та деталі газорозподільного механізму — змінюються лише блок, головка та колінчастий вал (з кривошипами через 72°).

Двигуни V6, що прийшли на заміну рядним «шісткам», мають ті самі характеристики балансування, що й трициліндровий — тобто далеко не ідеальні. Перший Mercedes-Benz V6 (M112, три клапани на циліндр) вирішив цю проблему за допомогою балансирного вала, розміщеного в долині між рядами циліндрів. Концерн PSA Group на своєму тролітровому шестициліндровому розмістив його в головці блока. Інші виробники вибрали ретельне зміщення шийок колінчастого вала — як на двигунах Audi V6 — щоб мінімізувати вібрації без додаткових ускладнень. Двигуни V6 з кутом 90° між рядами мають ще одну проблему: принципово нерівномірні інтервали між спалахами, які маховик з противагами здатний лише частково згладити.

Двигуни V8 з кутом між рядами 90° і кривошипами, розташованими у двох взаємно перпендикулярних площинах, збалансовані дуже добре. Рівномірні інтервали між спалахами досяжні, а два залишкових моментних пари легко нейтралізуються противагами на крайніх шийках колінчастого вала. Саме тому американські інженери так захоплено прийняли V8: вони просто не терплять вібрацій.

Двигуни V4 були рідкістю і нині практично зникли з автомобілів. Європейський Ford V4 (що встановлювався на Taunus, Capri та Saab 96) та примхливий V4 «Запорожця» потребували балансирного вала для компенсації моментних пар першого порядку. Головними перевагами були компактність і вартість — балансування відходило на другий план.

Двигуни V10 мають ті самі характеристики балансування, що й рядний п’ятициліндровий. Це не завадило конструкторам двигунів Формули-1, Dodge Viper та Dodge RAM використовувати їх — коли потрібна потужність, вібраціями доводиться керувати.

Щодо більш екзотичних компонувань: опозитна «вісімка» (як на гоночних Porsche 917) — це фактично два опозитних чотирициліндрових двигуни на спільному колінчастому валу, тоді як двигуни V12 та опозитні «дванадцятки» зводяться до двох рядних «шісток» — що й пояснює їхню виняткову плавність роботи.

VR6, VR5 та W-двигуни: геній компонування від Volkswagen

Ми вже згадували вузькокутні V-подібні двигуни на прикладі Lancia Fulvia. Десятиліттями їх уникали — складніше балансувати, ніж компонування з кутом 60° або 90°, а виграш у компактності не виправдовував клопоту. Потім пріоритети змінилися.

Два фактори змінили ситуацію:

• Гідравлічні підушки двигуна набули широкого поширення, суттєво зменшивши передачу вібрацій незалежно від теоретичного балансу двигуна.
• Простір під капотом ставав дедалі меншим, перетворюючи компактність на цінну перевагу. Хто міг уявити, що скромний хетчбек приховує 2,8-літровий шестициліндровий двигун? Volkswagen це втілив.

Volkswagen VR6 — абревіатура «VR» розшифровується як V-Reihen (V-рядний) — розвиває концепцію вузького кута далі, ніж Lancia, використовуючи кут між рядами лише 15°. Результат настільки компактний, що фактично функціонує як зміщений рядний двигун, і, що примітно, має єдину головку блока для обох рядів циліндрів. 2,8-літровий шестициліндровий двигун, що вміщається там, де звичайний V6 просто не помістився б, — дебютував у третьому поколінні Volkswagen Golf.

Далі інженери Volkswagen розвинули концепцію:

• VR5 з’явився як VR6 з одним видаленим циліндром.
• W8 об’єднав два вкорочених блоки VR (по чотири циліндри кожен) на одному колінчастому валу — і встановлювався на флагманський седан Passat.
• W12 дебютував у 1998 році на концепті W12 Roadster: два двигуни VR6, з’єднані під кутом 72° на одному колінчастому валу.
• W16 — з чотирма турбокомпресорами — встановлюється на Bugatti Veyron і розганяє його до 431 км/год, будучи найекстремальнішим серійним застосуванням цієї архітектури.

Чому таких компонувань не існувало раніше? Їх уможливило сучасне комп’ютерне проектування. Оптимізувати кут між рядами, розташування шийок колінчастого вала, порядок запалювання та характеристики балансування у геометріях такої складності було б практично неможливо без обчислювальних потужностей, що стали доступні починаючи з 1990-х років. Один лише колінчастий вал W12 — справжній кошмар для механіка: така деталь має сенс лише тоді, коли комп’ютер перевірив кожен допуск.

Що насправді важливо при реальному проектуванні двигунів

Якщо й можна зробити один висновок із усього сказаного, то він такий: теоретичне балансування рідко є вирішальним фактором при виборі компонування двигуна. Реальні пріоритети такі:

• Компонування — чи вміститься двигун у моторний відсік?
• Маса та питома потужність — яке найкраще співвідношення для конкретного застосування?
• Вартість виробництва — чи можна уніфікувати вузли в рамках модельного ряду?
• Модульність — дедалі частіше виробники будують цілі сімейства двигунів на базі єдиних поршня та діаметра циліндра — від трициліндрових економних агрегатів аж до дванадцятициліндрових флагманських моторів

Нинішня лінійка двигунів Mercedes-Benz — хрестоматійний приклад модульного підходу: єдина архітектура лежить в основі двигунів з різними потужностями та кількостями циліндрів.

Щодо вібрацій — варто пам’ятати, що теоретичне та реальне балансування — дві принципово різні речі. Навіть ідеально збалансований рядний шестициліндровий двигун тремтітиме, якщо його колінчастий вал неналежно відбалансований або якщо поршні й шатуни помітно відрізняються за масою. Реальні виробничі допуски та деформація деталей під навантаженням означають, що жоден двигун у реальному житті не є настільки плавним, як це виходить із рівнянь. Ось чому конструкція підушок двигуна — спосіб ізоляції силового агрегату від решти автомобіля — не менш важлива, ніж саме компонування. А іноді — й важливіша.

Це переклад. Оригінал можна прочитати тут: https://www.drive.ru/technic/4efb337800f11713001e54e1.html