Сегодня встретить в описании автомобильных двигателей можно не только величины мощности и крутящего момента, но и приставки: рядные, V-образные и оппозитные, характеризующие расположение цилиндров. Несмотря на то что каждая из этих схем – эволюционный шаг в двигателестроении, ни от одной из них до сих пор еще не отказались. А все потому, что все они имеют свои плюсы и минусы, на которые также необходимо обращать внимание при выборе транспортного средства.
История двигателя
Первым запатентованным двигателем внутреннего сгорания стал мотор, разработанный в 1883 году Готлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом. Это был одноцилиндровый двигатель, развивающий всего 1,1 л. с. Разумеется, мощностью таких моторов довольствоваться не приходилось. Ведь автомобили должны были заменить конные экипажи, перенимая на себя все их задачи: перевозка людей, грузов и так далее. Поэтому для увеличения силы двигателей, стали увеличивать рабочий объем цилиндра. Но, как оказалось, всему есть предел. Вместе с цилиндром необходимо было увеличивать поршень и шатун, на эти детали возрастали нагрузки, и их также необходимо было учитывать при проектировании. Кроме того, воспламенение топливовоздушной смеси больших объемов в таком двигателе происходит с определенной паузой, из-за чего он работает неравномерно. В таком случае необходимо устанавливать тяжелый балансир, и тогда конструкция становится еще более тяжелой и, чтобы приводить ее в движение, необходима дополнительная энергия. В результате одноцилиндровые двигатели становились слишком массивными, а масса увеличивалась не пропорционально мощности. Это приводило к тому, что заставить двигатель работать на высоких оборотах становилось невозможным, а, как известно, чем ниже скорость вращения коленчатого вала, тем меньше его мощность.
Рядный двигатель
Рядная схема. Такая схема используется при небольшом количестве цилиндров (от двух до шести). Главным преимуществом является то, что моторы такого типа легче всего поддаются уравновешиванию. Недостаток – внушительная длина.
В скором времени решили, что коленчатый вал может перемещать не только один поршень, и к одному цилиндру прибавились еще несколько. Цилиндры разместили в ряд (так проще всего). Сначала появились 2-цилиндровые двигатели, а в 1890 году появился первый 4-цилиндровый двигатель. Мощность этого мотора уже достигала 5 л. с. при 620 об/мин, но как по нынешним меркам, так и по меркам того времени этого было не достаточно, чтобы перемещать тяжелую технику. Поэтому создавались новые двигатели, число цилиндров которых достигало шести, восьми и даже двенадцати. И вот тут производители столкнулись со следующей проблемой. Таким двигателям требовалось большое количество свободного места под капотом. Кроме того, эти моторы за счет свого веса утяжеляли автомобиль, тем самым ухудшая его устойчивость и управляемость. Мысли инженеров направились на создание более компактного двигателя… К слову, сегодня рядные моторы можно встретить максимум с шестью цилиндрами. В основном по такой схеме сегодня строятся 4-цилилндровые двигатели, так как наиболее просты при производстве.
Выбираем электросистему — AC или DC?
Какой мотор выбрать при заказе электрического транспортного средства — AC или DC?
В привычном нам мире двигателей внутреннего сгорания существует многообразие типов: рядные, V-образные, оппозитные, роторные и т.д. И до сих пор не выбран единственный, «лучший» тип двигателя. Разные типы двигателей существуют для удовлетворения различных потребностей, таких как цена или производительность. Это также применимо и к электромоторам. При выборе гольфкара, электробуса или электрогрузовика одним из важнейших технических параметров является тип и мощность мотора. И если с мощностью все понятно – она должна быть достаточной для решения поставленных перед гольфкаром задач, то с типом мотора менее очевидно. На рынке представлены 2 типа – DC моторы (щеточно-коллекторные моторы постоянного тока) и AC моторы (синхронные моторы переменного тока). Иногда можно встретить бесщеточные BLDC моторы, либо асинхронные AC моторы, но это скорее экзотика в случае с низкоскоростным электротранспортом, поэтому не будем добавлять их к сравнению.
DC моторы
Многие производители ЭТС, в том числе и американские, до сих пор предлагают технику с щеточными DC моторами, обычно — в самых недорогих конфигурациях. Попробуем понять стоит ли на этом сэкономить.
Сильные стороны моторов: • Щеточные DC моторы с последовательным возбуждением обмоток обладают большим крутящим моментом на старте и низких оборотах. • DC моторы относительно компактны и обладают небольшой массой • DC мотор прост в управлении, для него требуется более дешевый контроллер
А вот слабые стороны щеточных DC моторов: • DC-мотор обладает щеточно-коллекторным узлом, который подвержен повышенному износу графитовых щеток и коллектора. Буквально – щетки истираются о коллектор, со временем они требуют замены и имеют свойство ломаться. • DC-моторы, для долгой службы, необходимо оборудовать устройством плавного пуска мотора, дабы уберечь обмотки ротора от сгорания при пусковом токе • Обмотки на статорах постоянного тока выделяют много тепла, которое требует сложных технологий для рассеивания, включая оребрение статора, охлаждение маслом и т.д. • Крутящий момент DC-мотора снижается с ростом оборотов
V-образный двигатель
V-образная схема. Такая компоновка позволяет значительно сократить длину мотора, но при этом увеличивает его ширину. Наиболее распространенные V6 и V8.
На самом деле идея компактного двигателя была запатентована еще до того, как появились многоцилиндровые монстры. Такой двигатель был создан в 1889 году. Он имел два цилиндра с углом развала 17 градусов и развивал 1,6 л. с. при 900 об/мин. V-образная компоновка, по сути, представляла из себя два двигателя, расположенных рядом друг с другом и приводящих в движение один общий коленчатый вал. Такая компоновка позволила сократить размеры мотора в длину почти вдвое.
В автомобилестроении первый V-образный мотор появился в 1905 году. Это был авиационный двигатель, построенный французским изобретателем Леоном Левавассером. Вначале моторы, построенные по такой схеме, устанавливали на грузовики и автобусы, а со временем они стали встречаться и под капотами легковых автомобилей. И все же, несмотря на многие положительные качества такой схемы, она не вытеснила рядную. Ведь там где есть плюсы, всегда есть и минусы. Главным образом это более сложная конструкция (два газораспределительных механизма вместо одного), и, следовательно, трудоемкость производства и дальнейшего ремонта. Кроме того, габаритные размеры хоть и уменьшились в длину, но моторы при этом «разрослись» в ширину.
Поршни врозь
Цилиндры в этом моторе располагаются под углом в виде латинской буквы V. Шатуны поршней так же, как у рядников, расположены на одном коленчатом вале, но — ближе, что позволяет сократить общую длину двигателя почти вдвое и разместить мощный двигатель внутри небольшой мотоциклетной рамы или упрятать четырехцилиндровый агрегат в крошечном моторном отсеке ЗАЗ-965. Благодаря V-образной компоновке восьмицилиндровые двигатели мощностью 400 л.с. и более запросто поместились в двухдверные Chevrolet Camaro или Ford Mustang. Компактные размеры способствовали увеличению жесткости элементов корпуса двигателя, а расположение цилиндров под углом позволило уменьшить высоту двигателя. Однако широкие V-образные двигатели плотно занимают подкапотное пространство и более трудоемки в ремонте. Две головки блока, более сложная система газораспределения и выхлопа.
V-образная «шестерка» ныне самый распространенный двигатель этой схемы, в то время как V8 вымирают под давлением эконорм
Оппозитный двигатель
Оппозитный двигатель – V-образный мотор с углом развала 180 градусов. Главным преимуществом является наименьшая высота и, как следствие, снижение центра тяжести автомобиля. Недостаток – неравномерный износ. В основном встречаются 4- и 6-цилиндровые двигатели.
Одним из типов V-образных моторов, который удостоен отдельного внимания, является оппозитный двигатель. По сути, этот двигатель является V-образным с углом развала цилиндров 180 градусов. В основном такие моторы нашли широкое применение на мотоциклах. Поперечное (направлению движения) размещение двигателя улучшало охлаждение цилиндров набегающим потоком воздуха. Однако и в автомобильной промышленности ему также нашлось место. С 1938 по 2003 года оппозитники устанавливали на Volkswagen Beetle, все по той же причине лучшего охлаждения (мотор имел воздушную систему охлаждения).
В 60-е годы производители усердно занялись разработкой переднеприводных автомобилей. Машины с такой схемой по сравнению с приводом на заднюю ось имели преимущества на скользком покрытии, а также были проще и дешевле в изготовлении. Но как оказалось не все так просто. По причине тяжести двигателей переднеприводные автомобили того времени не могли похвастаться хорошей управляемостью и равновесием в поворотах. Конструкторы стали снижать центр тяжести двигателей, в основном этого добивались, «укладывая моторы на бок». И пока одни автомобильные компании экспериментировали с расположением мотора, японские инженеры из Subaru в 1966 году представили свой первый переднеприводный автомобиль Subaru-1000, на котором был установлен оппозитный двигатель, размещенный вдоль оси автомобиля. За счет горизонтального расположения цилиндров мотора, значительно понизился центр тяжести автомобиля, улучшив тем самым устойчивость и управляемость машины.
Тем не менее такие моторы не нашли массового применения. Обусловлено это рядом минусов: неравномерный износ цилиндров (из-за точечного распределения нагрузок сечение цилиндра со временем становится эллипсным), большой расход масла и плохая вентиляция картера. Оппозитные двигатели сегодня можно встретить на автомобилях марки Subaru и Porsche, для которых на первом месте находится управляемость.
О силах и моментах
Вообще без вибраций поршневой двигатель внутреннего сгорания работать не может — так уж он устроен. Но бороться с ними нужно, и не только для повышения комфорта пассажиров. Сильные неуравновешенные вибрации могут вызвать разрушения деталей мотора — со всеми вылетающими и выпадающими оттуда последствиями…
Отчего возникают вибрации? Во-первых, в некоторых схемах двигателей вспышки в цилиндрах происходят неравномерно. Таких схем конструкторы по возможности избегают или стараются делать массивней маховик — это помогает сгладить пульсации крутящего момента. Во-вторых, при движении поршней вверх-вниз они то разгоняются, то замедляются, из-за чего возникают силы инерции — сродни тем силам, что заставляют пассажиров автомобиля кланяться при торможении или вдавливают их в спинки сидений при разгоне. В-третьих, шатун в двигателе движется вовсе не вверх-вниз, а совершает сложное движение. Да и возвратно-поступательное перемещение поршня от верхней мёртвой точки к нижней тоже нельзя описать простой синусоидой.
- Силы инерции от двух масс, вращающихся на одном валу поодаль друг от друга, создают свободный момент.
- В простейшем моторе есть свободные силы инерции, но нет моментов. Цилиндр-то один.
Поэтому среди сил инерции появляются составляющие с удвоенной, утроенной, учетверённой частотой вращения коленвала… Этими так называемыми силами инерции высших порядков, как правило, пренебрегают — они по сравнению с основной силой инерции (которой присвоили первый порядок) очень малы. Исключение составляют силы инерции второго порядка, с которыми приходится считаться. Плюс к этому, пары сил, приложенные на определённом расстоянии, образуют моменты — так происходит, когда в соседних цилиндрах силы инерции направлены в разные стороны.
Что сделать для того, чтобы уравновесить силы и моменты? Во-первых, можно выбрать схему мотора, в которой цилиндры и кривошипы коленчатого вала расположены таким образом, что силы и моменты взаимно уравновесят друг друга — всегда будут равны и направлены в противоположные стороны.
Яркий представитель вымершего племени автомобилей с рядной «восьмёркой» — модель 1930-х годов Alfa Romeo 8C.
А если ни одна из уравновешенных схем не подходит — например, из компоновочных соображений? Тогда можно попытаться по-другому расположить шейки коленвала и применить всякого рода противовесы, создающие силы и моменты, равные по величине, но противоположные по направлению основным уравновешиваемым силам. Иногда это можно сделать, разместив противовесы на коленчатом валу мотора. А иногда — на дополнительных валах, которые называют балансирными валами противовращения. Называются они так потому, что крутятся в другую сторону, нежели коленвал. Но это усложняет и удорожает двигатель.
Чтобы облегчить описание степени уравновешенности разных двигателей, мы подготовили сводную таблицу. Зелёным в ней выделены самоуравновешенные силы и моменты, а красным — свободные (те, что не уравновешены и вырываются на свободу — через опоры силового агрегата проходят на кузов автомобиля).
Что же получается? Из распространённых типов двигателей абсолютно уравновешенных всего два — это рядная и оппозитная «шестёрки». Теперь понимаете, почему BMW и Porsche так крепко держатся за такие моторы? Ну а о причинах, по которым от них отказываются остальные, мы уже упоминали. Теперь рассмотрим поподробнее остальные схемы.
Шестицилиндровый «оппозитник» водяного охлаждения Porsche. С левой и правой сторон блока в целях экономии стоят одинаковые головки, поэтому цепные приводы распредвалов пришлось устраивать и спереди, и сзади.
VR — рядно-смещённый двигатель
VR-образная схема. Моторы с небольшим углом развала (около 15 градусов). Такой угол позволил установить оба ряда цилиндров в одном блоке цилиндров, что позволило уменьшить не только длину, но и ширину двигателя. Главный недостаток – дополнительные валы и необычная конструкция ГРМ, и-за чего он очень дорог в производстве.
Еще к одному из типов расположения цилиндров можно отнести рядно-смещенный двигатель, обозначаемый индексом VR. Этот мотор является комбинацией V-образного и рядного двигателей. Поршни перемещаются под углом 15 градусов, что позволяет расположить их в одном блоке цилиндров. Создавая этот двигатель, конструкторы пытались максимально использовать плюсы V-образного и рядного двигателя: небольшие габаритные данные (как в длину, так и в ширину), простота изготовления. Но создать идеальный мотор задача оказалась не из простых. Эти двигатели обладают высокой тепловой напряженностью. Тонкие стенки между рядами цилиндров не позволяют сделать достаточное количество каналов для охлаждающей жидкости, вследствие чего эти моторы хуже противостоят перегрузкам.
W-образный двигатель
W-образная схема. Существует два варианта компоновки – три ряда цилиндров с большим углом развала (д) и совмещение двух VR-образных схем (е). В настоящее время выпускаются W8 и W12.
Погоня за мощностью привела к тому, что на свет появились моторы, построенные по схеме W. Это, по сути, два VR двигателя, угол между которыми составляет 72 градуса или три рядных. Главный недостаток таких моторов заключается в том, что на коленчатом валу находится в два раза больше шатунов, чем на V-образном, и в четыре раза! больше, чем на рядном. Шатуны изготавливаются тонкими, а так как эти детали являются одними из наиболее нагруженных в двигателе, то в результате на больших оборотах они начинают изгибаться. Такие моторы, созданы не для массового использования. Их можно встретить лишь на спортивных автомобилях.
Коленчатый вал и виды его конструкций (Часть 2).
Продолжим рассматривать конструкции коленчатых валов. Начало данной статьи смотрите здесь.
На четырехцилиндровом двигателе угол между парами шатунных шеек составляет 180 градусов, у шестицилиндрового пары развернуты на 120 градусов. При этом вал остается симметричным по средней шейке, так же как у четырехцилиндрового двигателя, такие валы можно назвать “симметричными”. Такие валы не создают лишних вибраций даже при отсутствии противовесов. То есть для уравновешенности двигателя с “симметричными” валами достаточно подобрать одинаковую массу шатунов. В других системах масса шатунов должна строго соответствовать противовесам. Здесь рассматривается масса только нижней части шатуна, так как именно она совершает вращательные движения и только эта масса должна быть уравновешена противовесом. Как определить массу нижней головки шатуна, об этом мы поговорим подробнее в теме про шатуны.
Если сравнивать коленчатый вал рядного четырехцилиндрового и шестицилиндрового двигателя, то принято считать что вал шестицилиндрового двигателя является полностью уравновешенным. Именно это послужило причиной установки его на автомобилях высокого класса. Рядные шестицилиндровые двигатели можно встретить на автомобилях следующих фирм: MERCEDES-BENZ,BMW,VOLKSWAGEN,OPEL,VOLVO,NISSAN,TOYOTA .
На рядных шестицилиндровых двигателях используют семиопорные коленчатые валы, четырехопорные валы из-за недостаточной прочности используются гораздо реже.
Иногда из-за компоновки вспомогательных агрегатов, на рядном шестицилиндровом двигателе можно встретить коленчатый вал, у которого один из противовесов имеет уменьшенный радиус. Чтобы получить необходимую массу противовеса, к нему приклепан дополнительный противовес необходимой массы.
Некоторые фирмы, в частности HONDA,VOLVO,MERCEDESBENZ,AUDI на своих автомобилях устанавливают рядные пятицилиндровые двигатели. Если рассматривать коленчатый вал, установленный на пятицилиндровом двигателе в плане уравновешенности, то он занимает среднее место, между валом четырех и шести цилиндрового двигателя. Опять же если его сравнивать с 4 и 6 цилиндровыми моторами вал 5 цилиндрового двигателя является более сложным в ремонте. Он имеет шесть опор, все шатунные шейки развернуты друг от друга на угол 72 градуса и симметрия у него уже отсутствует.
Рядные шестицилиндровые двигатели имеют большую длину, поэтому были придуманы V-образные двигатели, которые с тем же числом цилиндров были короче в два раза. Коленчатый вал у шестицилиндрового V-образного двигателя имеет сложную конфигурацию, где шатунные шейки смещены друг от друга обычно на 60 градусов. Он имеет 4 опоры и также как у пятицилиндрового коленчатого вала у него отсутствует симметрия, что также вызывает сложность при его ремонте.
Валы шестицилиндровых V-образных двигателей прекрасно сбалансируются подбором масс шатунов и противовесов. Но на больших объемах (выше 3.5 литров), появляется неуравновешенность, и там уже приходится ставить балансирный вал.
Для автомобилей высокого класса фирмы MERCEDES-BENZ, FORD, GM, CHRYSLER, позже к ним подключились BMW, AUDI,NISSAN,TOYOTA устанавливают V-образные восьмицилиндровые двигатели. Особенностью коленчатого вала восьмицилиндрового V-образного двигателя является то, что на одной шатунной шейке располагаются сразу два шатуна, а сами шатунные шейки сдвинуты друг относительно друга на 90 градусов. В итоге получилось, что вал восьмицилиндрового двигателя в ремонте получился проще, чем шестицилиндрового V-образного двигателя или рядного пятицилиндрового.
