Развитие автомобильных моторов

В начале XX века, когда конструкторская мысль бушевала во всю, двигатель рабочим объемом 10 л мог быть как одноцилиндровым, так, к примеру, и рядной «восьмеркой». Тогда никого особо не удивляли установленная на автомобиле рядная «шестерка» объемом 23 л или семицилиндровый звездообразный мотор с аэроплана…

Однако рост мощностей, оборотов и ожесточенная борьба за снижение себестоимости все расставили по местам. Простейший одноцилиндровый мотор для автомобилестроителей остался в далеком прошлом. Средний объем цилиндра двигателя обычного автомобиля сейчас — от трехсот до шестисот кубических сантиметров. Литровая мощность — от 35 л.с./л для безнаддувного дизеля до 100 л.с./л для форсированного бензинового «атмосферника». Для серийных двигателей это оптимум, выходить за рамки которого просто невыгодно.

Сегодня двигатель мощностью 100 л.с. в большинстве случаев окажется четырехцилиндровым, у 200-сильного будет четыре, пять или шесть цилиндров, у 300-сильного — восемь… Но как эти цилиндры расположить? Иными словами — по какой схеме строить многоцилиндровый двигатель?

Простота хуже компактности

О чем болит голова у конструктора? Во-первых, о том, как упростить конструкцию двигателя, чтобы он был дешевле в производстве и легче в обслуживании. Самый простой двигатель — рядный (мы будем обозначать такие моторы индексами R2, R3, R4 и т. д.). Располагаем в ряд нужное количество цилиндров — получаем необходимый рабочий объем.

Двух- и трехцилиндровые двигатели встречаются на автомобилях нечасто, хотя мода на «двухгоршковые» моторчики набирает обороты. Тому способствуют продвинутые системы смесеобразования и применение турбонаддува (как, например, на 85-сильной двухцилиндровой турбоверсии хэтчбека Fiat 500). А вот рядная «четверка» попала в самый массовый диапазон рабочего объёма легковых автомобилей — от 1,0 до 2,4 л.

Пятицилиндровые рядные моторы появились на серийных автомобилях сравнительно недавно — в середине 70-х годов. Первым был Mercedes-Benz со своими дизельными «пятерками» — они появились в 1974 году (на модели 300D с кузовом W123). Через два года увидел свет пятицилиндровый двухлитровый бензиновый двигатель Audi. А в конце 80-х годов такие моторы сделали Volvo и FIAT.

Рядные «шестерки», до недавнего времени столь популярные в Европе, нынче в мгновение ока стали вымирающим видом. А про рядную «восьмерку» и говорить нечего — с ней практически распрощались еще в 30-х годах. Почему?

Ответ прост. С ростом числа цилиндров двигатель становится длиннее, и это создает массу неудобств, при компоновке. Например, втиснуть поперек моторного отсека переднеприводного автомобиля рядную «шестерку» удавалось в считанных случаях — можно припомнить лишь английский Austin Maxi 2200 середины 60-х годов (тогда конструкторам пришлось спрятать коробку передач под двигателем) и Volvo S80 с суперкомпактной коробкой передач.

Как укоротить рядный мотор? Его можно «распилить» пополам, поставить две половинки рядом друг с другом и заставить работать на один коленвал. Такие моторы, у которых цилиндры расположены в виде латинской буквы V, вдвое короче рядных — наибольшее распространение получили двигатели с углом развала блока 60° и 90°. А V-образный мотор с углом развала блока 180°, в котором цилиндры расположены друг против друга, называют оппозитным (или «боксером» — обозначения В2, В4, В6 и т. д. происходят именно от слова boxer).

Такие моторы сложнее рядных — например, у них две головки цилиндров (каждая со своей прокладкой и коллекторами), больше распредвалов, сложнее схема их привода. А оппозитные двигатели еще и занимают много места в ширину. Поэтому из компоновочных соображений они применяются довольно редко — производителей «боксеров» можно пересчитать по пальцам.

А как сделать V-образный двигатель еще компактнее? Одно из простых, на первый взгляд, решений — установить угол развала блока менее 60°. Действительно, такие моторы были, но редко — можно вспомнить, например, автомобили Lancia Fulvia 70-х годов с моторами V4, угол развала блока которых составлял 23°. Почему же этим не пользовались все? Дело в том, что перед конструктором двигателя всегда стоит еще одна проблема — вибрации.

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.

Поэтому среди сил инерции появляются составляющие с удвоенной, утроенной, учетверенной 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.

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.