Змінюючись за типом подачі палива, по різним системам, що підвищує потужність і поліпшує економічність з екологічністю, двигун внутрішнього згоряння еволюціонував і за такою базовою складовою, як кількість / розташування циліндрів. Причому якщо по ряду пристроїв оптимальна або близька до неї схема на даний момент знайдено, останній процес не припиняється досі. Більш того, зараз мотори переживають черговий етап своєї трансформації, який може закінчитися непередбачувано.
У гонитві за циліндрами
Що й казати, ставлення до того, яким повинен бути двигун внутрішнього згоряння, на зорі моторизації було дуже вільним. Як вам мотор в один циліндр об'ємом 12 літрів ?! Звичайно, виключення, проте єдиний «горщик» в кінці XIX - початку XX ст. використовували повсюдно. Досить згадати агрегати Отто, Даймлера, Майбаха, Нобеля, Дизеля, Бенца. Технологічні обмеження просто не дозволяли вийти за рамки такого інженерного постулату. Це тривало недовго - ливарне виробництво розвивалося тоді дуже інтенсивно. До того ж швидко з'ясувалося, що деталі подібної, з дозволу сказати, «одинички» відчувають великі навантаження, що позначаються на ресурсі мотора.
Двоциліндровий рядний двигун отримали відносно скоро - в 1896-м. Зробили це два американських інженера. Пізніше цим бензиновим агрегатом оснащували трактора. Що цікаво, за все через рік той же Карл Бенц винайшов мотор з двома циліндрах, де поршні рухалися назустріч один одному. Так з'явився опозитний двигун. А вже на рубежі XIX і XX століть автомобілі наводилися рядними «четвірками».
Одним з перших чотирициліндрових моторів став агрегат, який брати Райт використовували на своєму літаку. За традицією того часу він мав окремі циліндри, виконані, до речі, з алюмінію (чим пояснювався його порівняно невелика вага - 72-82 кг), об'єм в 3,84 л і потужність в 28-42 к.с.
Двигун Benz 200HP або Blitzen Benz (blitzen - блискавка) являв собою самий безкомпромісний підхід до розробки рядних «четвірок», точніше, до їх обсягу - 21,5 л. Побудований в 1909-му він, що випливає з назви, розвивав 200 к.с. Через два роки машина встановила рекорд швидкості, розігнавшись до 228,1 км / год
Було цілком логічно, що слідом за «четвірками» з'явилися рядні «шістки» і «вісімки», а також V-подібні 8- і 12-циліндрові агрегати.
Компанія Packard внесла свій вклад в розвиток двигунобудування, точніше, в зростання числа циліндрів. Її модель Twin Six, як видно з назви, несла під капотом перший 12-циліндровий V- «образник». 6,95-літровий гігант розвивав 85 л.с. і міг розганяти машину до 112 км / ч. Для порівняння, максималка Cadillac Type 51 була на 4 км / год більше. Але цікавіше те, що саме Twin Six став тією моделлю, яка, потрапивши після революції до Сталіна, визначила майбутні автомобільні переваги вождя
А ось до V-образним розташуванням шести циліндрів прийшли тільки в середині минулого століття. Конструкторів відлякував значний рівень вібрацій, адже V6 працює як два рядних трьохциліндрових агрегату. Втім, тут потрібно розбиратися.
Lancia Aurelia в 1950 році стала першим серійним автомобілем, на якому використовували V6. Перша з «шісток» була 1,8-літрової і розвивала 56 к.с. Але вже в 1951-53 рр. з'явилися 2,0- і 2,5-літрові V- «божники» потужністю, відповідно, 70 і 118 сил. Машина, що набула цілого модельного ряду (були седани, купе, версія GT, що на фото, а також родстер, універсал, модифікація для США і «двухдверка», чий кузов виконали в Pininfarina), успішно виступала в ралі і взагалі була цікавою технічно . Так, коробку зі зчепленням віднесли до заднього мосту, гальмівні механізми - до редуктора, а незалежну задню підвіску скоро змінили на напівзалежну типу Де Діон з ресорами
Знайти компроміс
Але що таке збільшення числа циліндрів? Зрозуміло, що множення обсягу і підвищення потужності. А ще зростання маси двигуна, додаткове навантаження на одну з осей, відбирання життєвого простору у пасажирів. У першій половині XX століття про це особливо не замислювалися, тому виробники могли дозволити собі використовувати і рядну «шістку» з «вісімкою», і V12 з V16. Справа була не тільки в тому, що велика кількість циліндрів тоді виступало ключовим фактором, що забезпечує потужність. Ці мотори добре врівноважені. Інакше кажучи - мають мінімум вібрацій, які позначаються на ресурсі агрегату, не кажучи вже про комфорт і взагалі статусності моделі. Тому-то, як говорилося вище, інженери на моделях верхніх класів побоювалися V6 і V8, а рядні «четвірки» використовували лише від безвиході.
Звідки взагалі виникають вібрації? Не будемо тут городити формули з механіки, пояснимо все «на пальцях». Кривошипно-шатунний механізм в складі поступально рухомих і обертових мас являє собою складну схему, взаємодія сил в якій не описати простим «строго вгору-вниз» або «направо-наліво». Пара шатун-поршень, за один оборот коленвала змінює напрямок свого руху, рухається по складній траєкторії, а поршень до того ж проходить нижню і верхню частини циліндра з різною швидкістю. Взагалі в двигуні внутрішнього згоряння чи не кожен рухомий елемент виступає джерелом вібрацій. Однак в розрахунок приймаються тільки ті, які породжують сили інерції, що впливають на мотор з частотою роботи клонували або вдвічі більшою. Такі називають силами інерції першого і другого порядку.
Ну а вони, прикладені по руху шатунів-поршнів, будучи в парі і спрямовані в різні боки через колінвал - прямо за відомою формулою «сила, помножена на плече», - народжують моменти. Останні прагнуть повернути двигун по осі коленвала.
Треба думати, що інженерам ще на початку минулого століття була доступна ця інформація. Не дарма ж, як сказано раніше, в якості двигунів вибиралися рядні «шістки» з «вісімками» і V12, чиї кривошипи клонували розташовані під такими кутами, що сили і моменти в них повністю врівноважують один одного. На жаль, в наш час V12 так і залишився атрибутом машин дорогих і здебільшого спортивних. R8 став залишати моторні відсіки ще до Другої світової війни. Позначилися і габарити, і те, що довгі колінвал і распредвал в ньому відчувають значні згинальні навантаження. Достатній їх ресурс забезпечувався збільшенням перетину, а це призводило до зростання маси мотора.
Нарешті, рядні шість циліндрів теж стали персоною нон грата в моторних відсіках.
По-перше, позначився кілька десятиліть тому повальний перехід на передній привід і, відповідно, поперечне розташування силового агрегату, просто не залишили конструкторам вибору. Ні, безумовно, були і є приклади того, як інженери втискували такий «рядник» в підкапотний простір переднеприводников. Один з таких - Chevrolet Epica з дволітровим R6, що раптово з'явився і так само несподівано покинув ринок. У Volvo досі на моделях від D- і E-класу до кросоверів використовуються 3,0- і 3,2-літрові «шістки». Але і цим агрегатам жити теж залишилося недовго. І не дарма! Складність компонування довгого мотора поперек відсіку залишає мало можливостей пограти з передньою підвіскою. Робить обслуговування / ремонт трудомісткими і дорогими. А коробку передач сверхкомпактной, що, до речі, позначається на її ресурсі.
По-друге, навіть на моделях з поздовжнім розташуванням силової установки виробники резонно зауважили, що крім відсутності горезвісної вибронагруженности плюсів-то у такої схеми більше і немає. Місце при цьому двигуни віднімають помітно. Є проблеми «із зайвою вагою», і не завжди якісно охолоджуються два останніх по ходу руху циліндра.
Повністю урівноважений ще один двигун - опозитний шестициліндровий. Але його в підкапотному просторі теж потрібно примудритися розмістити. Тому в автомобільному світі B6 використовують лише дві компанії - Porsche і Subaru. Що ж з іншими агрегатами?
Повторимося: ще кілька десятиліть тому саме об'єм двигуна був вирішальним фактором, що збільшує потужність. При цьому мотористи давно відкрили те, що для рядної «четвірки» оптимальний обсяг не більше двох літрів. Перевищення цього значення тягне за собою підвищення маси шатунів з поршнями і зростання вібрацій. Хоча R4 теж непогано урівноважений - «навантажений» лише силами інерції другого порядку, які нівелюються балансирним валом, що обертається з подвоєною швидкістю. Причому для його компенсації влаштовується ще один вал, що обертається в протилежну сторону. Складно, дорого при виробництві і клопітно при обслуговуванні - ремінний або ланцюгової привід балансирних валів потрібно міняти! І тим не менше до недавнього часу на легковиках максимальний обсяг «четвірки», навіть ускладненою валами, зазвичай не перевищував 2,2-2,3 л.
У рядної «п'ятірки», як, до речі, і у V10, сили інерції компенсовані, але присутні моменти від них. У підсумку ці агрегати досить вібронагружени, у зв'язку з чим використовуються рідко. Точніше, «десятка» ще застосовується, а R5 - вимираючий вид. І з'явився він порівняно недавно, в середині 70-х. Тепер же, судячи з усього, залишився лише у Volvo, та й то тимчасово.
В V6 багато що залежить від кута розвалу блоку і конструкції коленвала. При 90 градусах і трьох кривошипа на коленвале (шатуни на них «сидять» попарно) врівноважується момент інерції першого порядку, однак не забезпечується рівномірного чергування спалахів в циліндрах. «Надання» кожному шатуну своєї шийки змінює ситуацію, і тоді момент гаситься балансувальним валом. Втім, на зорі появи V6 цим не займалися - занадто складною для того часу виходила технологія виготовлення клонували.
Просто використовували інший кут розвалу - наприклад, 60-градусний. При ньому момент від сил першого порядку скомпенсований, а моментом від сил другого порядку в середині минулого століття просто нехтували. Нарешті, і при 120-градусному розвалі блоку потрібно балансування вал, зате спалахи відбуваються з однаковими інтервалами і немає необхідності сильно обтяжувати маховик. Фактично кут розвалу у V6 разом з будовою клонували визначали різні споживчі і технічні характеристики, обумовлюючи і коло застосування - на позашляховиках, представницьких седанах, GT-машинах.
Те ж саме з V8. З тією лише різницею, що зазвичай тут використовується 90-градусний розвал блоку. При розташуванні кривошипів в перпендикулярних площинах вдається отримати рівномірні спалахи, хорошу тягу на "низах" і відсутність вібрацій, які гасяться лише противагами на валі. Причому шатуни сідають на кривошипи попарно, що в умовах недосконалості ливарних технологій значно полегшувало виробництво колінвалів.
віяння часу
Погоня за потужністю, одержуваної завдяки збільшенню обсягу, тривала ще в 90-х. Саме тоді VW для ряду моделей, в основному компактних начебто Golf і Jetta, розробив так звані V-образно-рядні мотори. Ідея була підглянена - у Lancia, чиї інженери ще в 60-х роках запропонували подібний агрегат.
Як і італійцям, німцям був потрібен компактний двигун, хіба що розміщували його на передньопривідних моделях поперечно, а не поздовжньо. Ну і пішли далі. З 1991 по 2005 роки в концерні народився цілий виводок VR-моторів. Спочатку з'явився VR6 обсягом 2,8 л. У 1994-му дебютував 2,9-літровий агрегат. Через три роки з «шістки» отримали 2,3-літрову «п'ятірку», VR5. Всі вони мали таке ж шахове розташування циліндрів, між рядами яких був кут в 15 градусів. А накривала їх загальна і єдина головка. Через відсутність в ній місця двигуни були 10- і 12-клапанними. І тільки в 1999-му VR6 обзавівся двома розподільними і 24 клапанами. «П'ятірку» перевели на DOHC і того пізніше. Потужності, до речі, були невисокі - від 150 сил у VR5 і 174 сил у VR6 до 204 «коней» у 2,8-літрового мотора, оснащеного вже системою зміни фаз газорозподілу.
До кінця минулого десятиліття від «віеров» на переднеприводников потихеньку відмовилися. До чого відносно важкі, безумовно, складні і не розв'язані від вібрацій агрегати, якщо до 300 сил за допомогою турбонаддува можна отримати з дволітровій «четвірки»? Однак повністю зміщенням-рядні, як їх ще називають, мотори в VW не закинув. Розроблені на початку-середині 2000-х VR6 обсягом 3,2 і 3,6 л використовуються на Touareg з його соплатформенніка і на Phaeton. Що ж, економія корисного простору, відданого пасажирам, а не механізмів, актуальна і для великих седанів-позашляховиків. Саме для них в кінці 90-х VW представив двигуни W8 і W12.
Ключовим вузлом в боротьбі з різного роду вібраціями тепер виступають гідроопори підвіски силового агрегату. У складі вузла дві камери, пов'язані між собою каналами для перетікання робочої рідини, і гумова мембрана. При невеликих вібраціях працює остання. При значних коливаннях двигуна камери починають обмінюватися рідиною один з одним. Крім найпростіших, закритих пристроїв, є опори з електровакуумним приводом і електронно-керовані - зі зв'язком з впускним колектором, зовнішнім середовищем і зав'язкою на ЕБУ
І все-таки VR і W - це екзотика. Основним агрегатом для переважної більшості моделей стає рядна «четвірка», обсяг якої для легкових автомобілів може досягати 2,5 л, а в інших випадках підбиратися і до трьох літрів. Втім, тепер обсяг не головне. Інші виробники не цураються встановлювати дволітрові турбодвигуни навіть на представників E-класу. Так що «четвірки»! У BMW на машинах з поперечним розташуванням силової установки в числі базових рядні «трійки». Ті, які трясуться від моментів сил інерції і якими ще зовсім недавно оснащувалися якісь «бюджетники» для третіх країн або японські кей-кари. Але економія - на металі, на трудовитратах на збірку, на масі і просторі, в кінці кінців, - вирішує все. Дивишся, незабаром ми побачимо і двоциліндрові мотори. Ті, що у зарубіжних компаній билися в вібраціях ще далеко в XX столітті, а в Росії віджили своє на Оці. Ну адже зовсім дешево і сердито.
Як вам мотор в один циліндр об'ємом 12 літрів ?Звідки взагалі виникають вібрації?
Що ж з іншими агрегатами?
До чого відносно важкі, безумовно, складні і не розв'язані від вібрацій агрегати, якщо до 300 сил за допомогою турбонаддува можна отримати з дволітровій «четвірки»?