Что значит рядная шестерка
Почему рядные 6-цилиндровые двигатели надёжнее всех остальных
За более чем 100-летнюю историю развития автомобильной промышленности двигатели эволюционировали ничуть не меньше, чем сами автомобили и превратились из маломощных 1-цилиндровых агрегатов в сверхмощные многоцилиндровые с разным расположением цилиндров.
Современные легковые автомобили оснащаются различными по объёму как рядными, так и V-образными и даже W-образными двигателями, а количество цилиндров в них может достигать 16-ти, например двигатели автомобилей Bugatti Veyron и Bugatti Chiron.
Однако, если заглянуть в историю, то можно неоднократно убедиться, что самыми надёжными двигателями, способными без проблем преодолеть 500 000 и более километров пробега, всегда были рядные 6-цилиндровые.
Ярким доказательством этому являются легендарные двигатели Nissan серии RB25, Toyota серии 2JZ, Mercedes-Benz серии M104 и BMW серии M50.
Так в чём же преимущество рядных 6-цилиндровых двигателей и почему они настолько надёжны?
Во-первых, в отличие от V-образных и тем более W-образных двигателей, конструкция рядных двигателей, в том числе 6-цилиндровых, более проста, а чем проще механизм, тем он надёжнее и долговечнее.
Во-вторых, рядные 6-цилиндровые двигатели на много дешевле в ремонте и техническом обслуживании, чем аналогичные по объёму, мощности и количеству цилиндров V-образные двигатели.
В-третьих, рядные 6-цилиндровые двигатели наиболее сбалансированые, чем V-образные двигатели с таким же количеством цилиндров, благодаря чему нагрузка на детали двигателя меньше, а их ресурс соответственно больше.
В-четвёртых, в отличие от рядных двигателей с меньшим количеством цилиндров, рядные 6-цилинровые двигатели обладают достаточно большой мощностью, в связи с чем не нуждаются в форсировании, что в свою очередь позволяет сохранить их ресурс.
В-пятых, рядные 6-цилинровые двигатели более экономичны, чем V-образные двигатели с таким же объёмом и количеством цилиндров.
К сожалению, последнее время по ряду причин всё больше автопроизводителей постепенно отказываются от производства рядных 6-цилинровых двигателей и оснащения ими своих автомобилей.
В первую очередь это связано с высоким спросом на дешёвые переднеприводные автомобили с поперечным расположением двигателя, которые технически невозможно, да и не нужно оснащать рядными 6-цилинровыми двигателями.
Ну и, конечно же, не последнюю роль во всём этом сыграли экологи и их жёсткие стандарты вредных выбросов в атмосферу. Ведь именно экологи заставили большинство автопроизводителей отказаться от производства рядных 6-цилинровых двигателей в пользу более экологичных и мощных за счёт турбонаддува V-образных аналогов.
В заключение отмечу, что в настоящее время рядными 6-цилиндровыми двигателями оснащают свои легковые автомобили преимущественно BMW и Mercedes-Benz. К счастью, эти два немецких автопроизводителя пока не планируют отказываться от производства рядных 6-цилиндровых двигателей.
Понравилась публикация? Поделись!
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
Когда-то, рядная шестерка была самой ходовой, доминирующей конструкцией двигателя в Западном полушарии. Jaguar ставил их на свои лучшие модели, Jeep «построил» и закрепил на них свою репутацию во второй половине 20-го века. Тоже самое можно сказать о Mercedes-Benz. Рядные шестицилиндровые бензиновые моторы были хорошими образчиками
Все мы привыкли думать, что в Штатах господствовали восьмицилиндровые моторы, это нельзя назвать полной правдой, ведь в недалеком прошлом почти каждый заурядный семейный автомобиль и многие пикапы оснащались единственным стандартом мотора – «рядным шестицилиндровым».
Затем настали тяжелые времена, началась экспансия V6.
В течение многих лет V-образные шестерки вытесняли рядные моторы, казалось, еще немного и вся конструкция будет предана забвению. Но, похоже этому не бывать – Mercedes-Benz совершил воскрешение. Он вернул рядную шестерку в виде новой версии двигателя под внутренним номером M256. Предназначение вновь изобретенного «колеса» очевидна – замена и вытеснение большей части силовых агрегатов V6 из линейки. Об этом еще несколько лет назад заявляли сами представители Mercedes-Benz.
Но единственный вопрос: «Зачем им это?»
Одними из главных недостатков современных автомобильных двигателей являются: сложность производства, усложненность конструкции, невысокая надежность и дороговизна. Все эти недостатки в полной мере присущи «V»-образному стандарту и в том числе производимому компанией из Штутгарта.
В конце концов, понимание того, что нужно каким-то образом бороться за повышение доступности автомобилей с объемными и мощными двигателями, натолкнули управление Daimler AG к рискованному на первый взгляд шагу – разработке современного рядного шестицилиндрового мотора. Именно низкие затраты на разработку двигателя, а не присущая линейному мотору плавность работы, дали старому дизайну отсрочку от окончательного уничтожения.
Куда пропали все рядные моторы?
«Рядный» означает расположение цилиндров в блоке двигателя – они, соответственно, расположены один за другим – в ряд, а «шесть» – как несложно догадаться – это их количество.
Изначально Mercedes освоил производство своей рядной шестицилиндровой линейки моторов в 1924 и продолжал делать их вплоть до 1943 года, пока война не начала активно высасывать все соки из стран «оси», и как-то стало не до производства двигателей.
После восьмилетнего перерыва, с 1951 по 1998 год Mercedes продолжил делать разнотипные рядные моторы. Отличительной чертой было то, что в этот период в производстве всегда оставалась хотя бы одна рядная шестицилиндровая модель двигателя. Двадцать лет назад данная традиция окончательно ушла в прошлое. Примечательно, что в Германии подобный тип мотора продержался дольше, чем в других странах Запада, в которых имелась собственная автопромышленность.
Другие автопроизводители разбрелись по разным сторонам от шести цилиндров. В Европе и Японии пошли путем уменьшения их количества, постепенно снизив до четырех, со временем добавив мощности при помощи турбин.
В США, мощные V8 взяли верх над практичными и относительно экономичными «шестерками». С 1950-х по 1970-е годы в Штатах автомобили были монументально огромными, бензин стоил дешево, а значит никаких препятствий для V-образных моторов не было, также как не было места рядным конкурентам.
Со временем под рядные силовые агрегаты в США была отвоевана ниша – автомобили начального уровня, но и они просуществовали не так долго, поскольку их повторно вытеснили «V»-образные моторы.
Почему это произошло? Все дело в том, что автомобили стали компактнее, их капоты тоже стали меньше, а вот зоны деформации и количество электроники, напротив, в современных автомобилях оказалось больше. Все это занимает место, значит нужны более компактные моторы – V6 подходили для этого как нельзя лучше, ведь они были короче на один цилиндр по отношению к своим рядным «сотоварищам», но стоили при этом дешевле своих старших братьев – V8.
Почему Мерседес вновь начал возрождать рядный тип моторов? И в чем его уникальность?
Короткие капоты по-прежнему являются проблемой, но у Mercedes есть несколько технических трюков, которые позволили сократить двигатель «M256» достаточно для того, чтобы «запихнуть» его в сегодняшние «курносые» автомобили.
На обычном двигателе, как известно, мощность мотора приводит в движение все навесное оборудование: гидроусилитель руля, генератор, помпу и компрессор системы кондиционирования. Все это добро приводится в действие через систему ремней и шкивов, расположенных в передней части двигателя. Все это нагромождение занимает много ценного места в пространстве между двигателем и радиаторной решеткой.
M256-й двигатель ушел от стандартной системы. Вместо нее все вспомогательное оборудование приводится в действие электрической 48-вольтовой системой, получившей фирменное наименование «Integrated Starter-Alternator (ISG)», в которой роль стартера и генератора объединена в едином блоке.
Такой подход сделал мотор компактней, но помимо этого, технология ISG также позволила повысить производительность относительно небольшого по объему двигателя и не последнюю роль в этом сыграла технология «интеллектуального турбонаддува» со встроенным электрическим турбокомпрессором и электромотором, который работает в паре с основной обычной турбиной, что устанавливается на CLS53.
Элемент технологии ISG (электромотор, расположившийся между коленчатым валом и КПП)
В зависимости от ситуации и требований, компрессор может помочь раскрутиться турбине или отдать первичный импульс для старта мотора. Интеллектуальная комбинация позволяет нивелировать турбо-яму, которую вы обычно чувствуете между нажатием педали газа и моментом увеличения мощности. То есть когда это необходимо электромотор работает, в качестве стартера и помогает двигателю достигать максимального крутящего момента в самом начале разгона, что обеспечивает автомобилю максимальную тягу на низких оборотах.
Так, что с технической точки зрения – это по-настоящему удивительный агрегат. Однако его уникальность заключается не только в используемых технологиях. Это уникальная конструкция с уходящими в глубокое прошлое корнями. Когда компактные V6 на протяжении 20 лет вытесняли рядные моторы, Mercedes, несмотря на прекращение производства последнего одновременно с уходом на покой лимузина W140 S-Class в 1998 году, не расстался с пониманием исторической связи, и не побоимся сказать – исторической ответственности в сохранении более простой и надежной версии силовых агрегатов.
Единственным конкурентом, который не расстался с рядной концепцией, стала компания BMW. Все остальные производители из Топ-10 либо давно прекратили попытки строительства среднеобъемных рядных двигателей, либо начав их делать достаточно быстро, прекращали. Среди них можно отметить:
Jeep, со своим 4.0-литровым I6, который перешел от него после 2006 года в пользу V6.
General Motors, который создал уникальный для своего времени рядный шестицилиндровый мотор в 2002 году в рамках нового семейства двигателей Atlas. Двигатель просуществовал до 2012 года.
masterok
Мастерок.жж.рф
Хочу все знать
Когда-то, рядная шестерка была самой ходовой, доминирующей конструкцией двигателя в Западном полушарии. Jaguar ставил их на свои лучшие модели, Jeep «построил» и закрепил на них свою репутацию во второй половине 20-го века. Тоже самое можно сказать о Mercedes-Benz. Рядные шестицилиндровые бензиновые моторы были хорошими образчиками
Все мы привыкли думать, что в Штатах господствовали восьмицилиндровые моторы, это нельзя назвать полной правдой, ведь в недалеком прошлом почти каждый заурядный семейный автомобиль и многие пикапы оснащались единственным стандартом мотора – «рядным шестицилиндровым».
Затем настали тяжелые времена, началась экспансия V6.
В течение многих лет V-образные шестерки вытесняли рядные моторы, казалось, еще немного и вся конструкция будет предана забвению. Но, похоже этому не бывать – Mercedes-Benz совершил воскрешение. Он вернул рядную шестерку в виде новой версии двигателя под внутренним номером M256. Предназначение вновь изобретенного «колеса» очевидна – замена и вытеснение большей части силовых агрегатов V6 из линейки. Об этом еще несколько лет назад заявляли сами представители Mercedes-Benz.
Но единственный вопрос: «Зачем им это?»
Одними из главных недостатков современных автомобильных двигателей являются: сложность производства, усложненность конструкции, невысокая надежность и дороговизна. Все эти недостатки в полной мере присущи «V»-образному стандарту и в том числе производимому компанией из Штутгарта.
В конце концов, понимание того, что нужно каким-то образом бороться за повышение доступности автомобилей с объемными и мощными двигателями, натолкнули управление Daimler AG к рискованному на первый взгляд шагу – разработке современного рядного шестицилиндрового мотора. Именно низкие затраты на разработку двигателя, а не присущая линейному мотору плавность работы, дали старому дизайну отсрочку от окончательного уничтожения.
Куда пропали все рядные моторы?
«Рядный» означает расположение цилиндров в блоке двигателя – они, соответственно, расположены один за другим – в ряд, а «шесть» – как несложно догадаться – это их количество.
Изначально Mercedes освоил производство своей рядной шестицилиндровой линейки моторов в 1924 и продолжал делать их вплоть до 1943 года, пока война не начала активно высасывать все соки из стран «оси», и как-то стало не до производства двигателей.
После восьмилетнего перерыва, с 1951 по 1998 год Mercedes продолжил делать разнотипные рядные моторы. Отличительной чертой было то, что в этот период в производстве всегда оставалась хотя бы одна рядная шестицилиндровая модель двигателя. Двадцать лет назад данная традиция окончательно ушла в прошлое. Примечательно, что в Германии подобный тип мотора продержался дольше, чем в других странах Запада, в которых имелась собственная автопромышленность.
Другие автопроизводители разбрелись по разным сторонам от шести цилиндров. В Европе и Японии пошли путем уменьшения их количества, постепенно снизив до четырех, со временем добавив мощности при помощи турбин.
В США, мощные V8 взяли верх над практичными и относительно экономичными «шестерками». С 1950-х по 1970-е годы в Штатах автомобили были монументально огромными, бензин стоил дешево, а значит никаких препятствий для V-образных моторов не было, также как не было места рядным конкурентам.
Со временем под рядные силовые агрегаты в США была отвоевана ниша – автомобили начального уровня, но и они просуществовали не так долго, поскольку их повторно вытеснили «V»-образные моторы.
Почему это произошло? Все дело в том, что автомобили стали компактнее, их капоты тоже стали меньше, а вот зоны деформации и количество электроники, напротив, в современных автомобилях оказалось больше. Все это занимает место, значит нужны более компактные моторы – V6 подходили для этого как нельзя лучше, ведь они были короче на один цилиндр по отношению к своим рядным «сотоварищам», но стоили при этом дешевле своих старших братьев – V8.
Почему Мерседес вновь начал возрождать рядный тип моторов? И в чем его уникальность?
Короткие капоты по-прежнему являются проблемой, но у Mercedes есть несколько технических трюков, которые позволили сократить двигатель «M256» достаточно для того, чтобы «запихнуть» его в сегодняшние «курносые» автомобили.
На обычном двигателе, как известно, мощность мотора приводит в движение все навесное оборудование: гидроусилитель руля, генератор, помпу и компрессор системы кондиционирования. Все это добро приводится в действие через систему ремней и шкивов, расположенных в передней части двигателя. Все это нагромождение занимает много ценного места в пространстве между двигателем и радиаторной решеткой.
M256-й двигатель ушел от стандартной системы. Вместо нее все вспомогательное оборудование приводится в действие электрической 48-вольтовой системой, получившей фирменное наименование «Integrated Starter-Alternator (ISG)», в которой роль стартера и генератора объединена в едином блоке.
Такой подход сделал мотор компактней, но помимо этого, технология ISG также позволила повысить производительность относительно небольшого по объему двигателя и не последнюю роль в этом сыграла технология «интеллектуального турбонаддува» со встроенным электрическим турбокомпрессором и электромотором, который работает в паре с основной обычной турбиной, что устанавливается на CLS53.
Элемент технологии ISG (электромотор, расположившийся между коленчатым валом и КПП)
В зависимости от ситуации и требований, компрессор может помочь раскрутиться турбине или отдать первичный импульс для старта мотора. Интеллектуальная комбинация позволяет нивелировать турбо-яму, которую вы обычно чувствуете между нажатием педали газа и моментом увеличения мощности. То есть когда это необходимо электромотор работает, в качестве стартера и помогает двигателю достигать максимального крутящего момента в самом начале разгона, что обеспечивает автомобилю максимальную тягу на низких оборотах.
Так, что с технической точки зрения – это по-настоящему удивительный агрегат. Однако его уникальность заключается не только в используемых технологиях. Это уникальная конструкция с уходящими в глубокое прошлое корнями. Когда компактные V6 на протяжении 20 лет вытесняли рядные моторы, Mercedes, несмотря на прекращение производства последнего одновременно с уходом на покой лимузина W140 S-Class в 1998 году, не расстался с пониманием исторической связи, и не побоимся сказать – исторической ответственности в сохранении более простой и надежной версии силовых агрегатов.
Единственным конкурентом, который не расстался с рядной концепцией, стала компания BMW. Все остальные производители из Топ-10 либо давно прекратили попытки строительства среднеобъемных рядных двигателей, либо начав их делать достаточно быстро, прекращали. Среди них можно отметить:
Jeep, со своим 4.0-литровым I6, который перешел от него после 2006 года в пользу V6.
General Motors, который создал уникальный для своего времени рядный шестицилиндровый мотор в 2002 году в рамках нового семейства двигателей Atlas. Двигатель просуществовал до 2012 года.
Шестёрки рядные и V-образные: плюсы и минусы
6-цилиндровые двигатели ассоциируются с некоторыми из самых лучших автомобилей всех времён, так каким же образом кардинально отличаются V-образные.
6-цилиндровые двигатели ассоциируются с некоторыми из самых лучших автомобилей всех времён, так каким же образом кардинально отличаются V-образные моторы от своих рядных братьев?
6-цилиндровые моторы устанавливались в некоторые модели, со временем ставшие по-настоящему легендарными, среди которых есть Jaguar E-Type, Toyota Supra и BMW M3, где под капотом стоят рядные моторы, а также Honda NSX, GT-R R35 и Lancia Stratos с двигателями, имеющими V-образную компоновку. К сожалению, золотое время рядных шестёрок подошло к концу, так как всё в наше время всё чаще производители используют именно моторы типа V6, причём как в обычных моделях, так и в их заряженных версиях. Так в чём же преимущества и недостатки каждой схемы, и почему V6 сейчас доминирует?
Преимущества рядных шестёрок
В первую очередь, как и любой рядный двигатель, такие шестёрки довольно просты и надёжны. Блок цилиндров изготавливать проще, да и в отличие от V-образных моторов во втором комплекте ГБЦ и распредвалов нет необходимости. Вместо использования четырёх коротких распредвалов рядная шестёрка может довольствоваться двумя длинными валами.
Простота таких моторов также важна при ремонте, так как на рядном двигателе легко можно подобраться к любой свечи зажигания, проводам и прочим элементам при плановом обслуживании, что делает любую рядную шестёрку хорошим товарищем механика.
Недостатки рядных шестёрок
К сожалению, есть множество причин тому, что рядные шестёрки сейчас вымерли. Размещение такого мотора всегда вызывало вопросы, так как из-за дополнительных цилиндров установить такой мотор вдоль можно не под каждый капот. Если же ставить его поперечно, то не остаётся места для трансмиссии и приводов, которые нужны при использовании на переднеприводных моделях. А так как производители стараются делать максимально универсальные моторы для применения на множестве моделей, длинные «рядники» им просто не нужны.
Кроме того, у длинного мотора и его компонентов страдает жёсткость по сравнению с более компактными моделями. Длинные распредвалы и коленвалы слегка прогибаются во время вращения, а блок цилиндров не такой жёсткий, как у тех же V6. Размеры рядной шестёрки также плохо влияют на центр тяжести автомобиля, так как он расположен несколько выше, чем более компактные модели.
Из-за более компактных параметров такой мотор можно поставить в куда большее количество моделей из линейки производителя, что снижает стоимость на тестирование других вариантов двигателей.
А свободное место, сэкономленное размерами двигателя, может быть использовано для установки различных видов нагнетателей. Переднеприводные модели также могут использовать V6 в качестве мотора, что может привести к появлению действительно крутых моделей вроде MG ZS180 с двигателем Rover KV6 под капотом или Mazda MX-6, на второе поколение которой ставили 2,5-литровый V6. Таким образом V6 позволяет компаниям без проблем создавать мощные версии скучных моделей с 4-цилиндровыми моторами без серьёзных изменений размеров кузова или компоновки моторного отсека.
У таких моторов пусть и такое же количество цилиндров, как у рядного собрата, но V6 совсем не так хорошо сбалансирован. По сути созданный из двух рядных 3-цилиндровых двигателей, любой V6 требует специальных балансировочных валов, которые будут уравновешивать мотор во время его работы. Без таких балансировочных валов на коленвал действовали бы огромные вибрации, создаваемые подобным мотором при возвратно-поступательных движениях.
Балансировка двигателя ухудшается с ростом объёма такого мотора (длинный ход поршня) и увеличением размера цилиндра (так как растёт масса поршня). Противовесы в таком случае также добавляют сложности в строение двигателя и процесс производства, увеличивая его стоимость. Например, у DOHC V6 должно быть 4 распредвала и 24 клапана, а дополнительные балансировочные валы, расположенные в каждой ГБЦ, лишь добавят сложности при обслуживании и обеспечат головную боль тому, кто решиться туда залезть.
Хотя многие автолюбители и жаловались на отсутствие современных рядных шестёрок, в скором времени всё может кардинально изменится. Совсем недавно Mercedes-Benz представили новый мотор подобной компоновки, который будет использовать 48В-аккумулятор для питания навесного оборудования и помощи трансмиссии. И даже при подобном возрождении рядных шестёрок советую вспомнить, что BMW сделали себе имя именно 4-цилиндровыми моторами, в том числе на моделях M3 и 2002.
При отсутствии рядных шестёрок V6 полностью заняли их место на рынке, и потребуется время для изменения ситуации. Но с таким разнообразием моделей, использующих V6, трудно сомневаться в потенциале таких моторов, который можно раскрыть небольшими доработками.
А двигатель какого формата предпочитаете именно вы? Хотите ли вы увидеть возвращение рядных 6-цилиндровых моторов под капоты современных спортивных автомобилей? Излагайте свои мысли по этому поводу в комментариях!
Типы двигателей: V-образный, оппозитный, рядный: отличия и тонкости
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 (плюс-минус сто «кубиков» в исключительных случаях вроде трехцилиндровой мотоколяски Smart или рядной 4,5-литровой «шестерки» внедорожника Nissan Patrol). Литровая мощность — от 35 л. с./л для безнаддувного дизеля до 100 л. с./л для форсированного бензинового мотора. Для серийных двигателей это оптимум, выходить за рамки которого просто невыгодно.
Сегодня двигатель мощностью 100 л. с. будет четырехцилиндровым, двухсотсильный будет иметь четыре, пять или шесть цилиндров, трехсотсильный — 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 двигатели 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, и рядные в том числе. Зато рядная «четверка» попала в самый массовый диапазон рабочего объема легковых автомобилей — от 1,0 до 2,3 л.
Пятицилиндровые рядные моторы появились на серийных автомобилях 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 во 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 новейший Volvo S80 с суперкомпактной КПП.
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 о и 90 о. А V-образный мотор с углом развала блока 180 о, 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 — сделать угол развала блока менее 60 о. Действительно, такие моторы были, но редко — можно вспомнить, например, автомобили Lancia Fulvia 70-х годов с моторами V4, угол развала блока которых составлял 23 о. 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 происходят 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 — они 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 мертвой 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 определенном 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.
Чтобы облегчить описание степени уравновешенности разных двигателей, мы подготовили сводную таблицу. Зеленым 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 распространенных типов двигателей абсолютно уравновешенных всего два — это рядная и оппозитная «шестерки». 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.
Уравновешенные и не очень
Из двухцилиндровых двигателей на автомобилях нынче применяется только один — двухцилиндровый рядный мотор с коленчатым валом, у которого кривошипы направлены в одну сторону (например, такой стоит на отечественной Оке). Как видно, этот двигатель по степени уравновешенности похож на одноцилиндровый, поскольку оба поршня движутся вверх и вниз одновременно, в фазе. Для того, чтобы уравновесить свободные силы инерции первого порядка, в моторе Оки слева и справа от коленвала стоят два вала с противовесами. А как же быть с силами второго порядка?Для того, чтобы с ними справиться, пришлось бы добавить еще два балансирных вала, что на двухцилиндровом моторе, изначально предназначенном для маленьких и дешевых автомобилей, было бы совершенно неуместным.
Впрочем, это еще ничего — много двухцилиндровых моторов выпускалось вообще без балансирных валов. Так было, например, на малышках Fiat 500 образца 1957 года. Да, вибрации были, их старались погасить подвеской силового агрегата… Но мотор зато получался простым и дешевым!
Двухцилиндровый двигатель, у которого кривошипы направлены в разные стороны (под углом 180 о), можно встретить только на мотоциклах. Поскольку поршни в нем всегда движутся в противофазе, то он уравновешен лучше.
Однако равномерного чередования вспышек в цилиндрах можно добиться только на двухтактных моторах — такие двигатели можно было встретить на довоенных DKW и их прямых наследниках, пластиковых гэдээровских Трабантах. По причине простоты и дешевизны никаких балансирных валов на них тоже не было, а с возникающими вибрациями просто мирились.
Автомобиль с двухцилиндровым V-образным мотором припоминается только один — отечественный НАМИ-1.
А до наших дней этот тип двигателя дожил только на мотоциклах — вспомните американский Harley Davidson и его японских последователей с их V-образными «двойками» во всей хромированной красе. Такой мотор можно уравновесить практически полностью с помощью противовесов на коленчатом валу, но достичь равномерного чередования вспышек невозможно.
Хорошо, что байкеры особого внимания на вибрации не обращают…
Автомобилей c оппозитным мотором, наиболее уравновешенным из всех двухцилиндровых, было немного — по экономическим и компоновочным соображениям. Можно упомянуть, например, французский Citroen 2CV.
Трехцилиндровый двигатель уравновешен хуже, чем рядная «четверка», и поэтому производители трехцилиндровых моторов — например, Subaru и Daihatsu — стараются оснащать их балансирными валами. Однако опелевские двигателисты, недавно снабдившие Opel Corsa новым трехцилиндровым мотором семейства Ecotec, и конструкторы двигателя «городского купе» Smart в целях удешевления и уменьшения механических потерь отказались от балансирного вала. Правда, трехцилиндровая Corsa уже была раскритикована немецкими автожурналистами: «По городу на переменных режимах ездить совершенно невозможно».
В самой популярной среди двигателистов рядной «четверке» остается свободной сила инерции второго порядка. Ее можно уравновесить только балансирным валом, вращающимся с удвоенной скоростью (вы не забыли — сила инерции второго порядка действует с удвоенной частотой?).
А для компенсации момента от балансирного вала придется ставить еще один, вращающийся в противоположную сторону.
Дорого? Безусловно. Однако, моторы с балансирными валами можно встретить на автомобилях Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat, VW. Самый свежий пример — 2,2-литровая «четверка» из семейства Opel Ecotec.
Кстати, оппозитная «четверка» уравновешена лучше, чем рядная — здесь есть только момент от сил инерции второго порядка, который стремится развернуть двигатель вокруг вертикальной оси. Однако и «оппозитник» воздушного охлаждения легендарного Жука, и знаменитые «боксеры» Subaru обходились и обходятся без балансирных валов.
У рядных «пятерок» с уравновешенностью дела обстоят не очень. Силы инерции компенсируются, но вот моменты от этих сил… Во время работы двигателя по блоку постоянно «пробегает» волна изгибающего момента, поэтому блок должен быть весьма жестким. Однако и Mercedes-Benz, и Audi, и Volvo борются с вибрациями, дорабатывая подвеску силового агрегата. И только фиатовские мотористы применяют балансирный вал, который полностью уравновешивает все моменты.
Кстати, практически все «пятерки» образованы путем прибавления еще одного цилиндра к четырехцилиндровому двигателю — как кубики в конструкторе. Делают это для того, чтобы с минимальными производственными и конструкторскими затратами получить более мощные моторы. При этом всю начинку, включая поршни, шатуны, клапаны и т. д., можно взять от «четверки». Понадобятся иные блок и головка цилиндров и, само собой, коленчатый вал, кривошипы которого должны быть расположены под углом в 72 о.
О шестицилиндровых моторах — мечте с точки зрения уравновешенности — мы уже упоминали.
А вот в моторах V6, которые вытесняют рядные, ситуация с уравновешенностью такая же, как у «трешки», то есть не ахти. Поэтому балансирные валы можно увидеть на трехлитровом двигателе V6 Citroen/Peugeot или на новом 3,2-литровом моторе Mercedes-Benz М112. А на других моторах пытаются не усложнять конструкцию и стараются свести уровень вибраций к минимуму за счет усовершенствованной подвески силового агрегата и хитроумного смещенного расположения шатунных шеек коленчатого вала (как, например, на Audi V6).
Добавим сюда еще одно замечание — в моторах V6 с развалом в 90 о не обеспечивается равномерное чередование вспышек в цилиндрах. Возникающая неравномерность хода может компенсироваться за счет утяжеленного маховика, но лишь отчасти. Вот вам и еще один источник вибраций…
V-образные «восьмерки» с углом развала цилиндров в 90 о и коленвалом, кривошипы которого располагаются в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, весьма неплохо уравновешены. В таком моторе можно обеспечить равномерное чередование вспышек, что тоже работает на плавность хода. Остаются неуравновешенными два момента, которые можно полностью утихомирить с помощью двух противовесов на коленчатом валу — на щеках крайних цилиндров.
Понимаете, почему американцы раньше других прочувствовали всю прелесть V-образных моторов?
Вибрации и тряски в своих автомобилях они очень не любят…
Напоследок можно поговорить о схемах необычных.
Сначала можно вспомнить про моторы V4. Таких было немного — европейский Ford образца 60-х годов (который стоял на автомобилях Ford Taunus, Capri и Saab 96) да чудо-двигатель отечественного Запорожца. Здесь не обошлось без уравновешивающего вала для момента от сил инерции первого порядка. Впрочем, конструкторы вышеупомянутых автомобилей выбирали эту схему из условий компактности и отчасти экономии, а не за хорошую уравновешенность.
А что насчет V-образных «десяток»? Как можно видеть, степень уравновешенности таких моторов точно такая же, как и у моторов R5.
Впрочем, конструкторы некоторых моторов Формулы-1 или монстров Chrysler Viper и Dodge RAM, где стоят двигатели V10, о вибрациях думают далеко не в первую очередь.
Ну, а прочие схемы легко свести к предыдущим. Например, оппозитная «восьмерка» (пример применения — гоночные болиды Porsche 917) — это две «четверки», работающие на один коленвал. А V-образный и оппозитный двенадцатицилиндровые двигатели можно свести к двум рядным «шестеркам».
VR6, VR5, W12…
Помните, мы упоминали о V-образных моторах с малым углом развала блока — как на Лянчах?
Раньше таких схем избегали — уравновесить их сложнее, чем моторы с развалом в 60 о или 90 о, а выигрыш в компактности тогда ценили не так…
Но теперь ситуация изменилась. Во-первых, созданы и применяются гидроопоры силового агрегата, которые могут значительно ослабить вибрации. Во-вторых, пространство под капотом нынче на вес золота. Ведь кто раньше мог себе представить скромный хэтчбек с 2,8-литровым мотором? А теперь — пожалуйста: VW Golf VR6 предыдущего, третьего, поколения!
Этот знаменитый фольксвагеновский двигатель VR6, «V-образно-рядный» мотор (об этом и говорит обозначение VR), стал дальнейшим развитием V-образных двигателей с малым углом развала блока.
Цилиндры этого мотора разведены на еще меньший угол, чем на Лянчах — всего на 15 о. Гениальное решение — 2,8-литровая «шестерка» компактнее, чем обычный мотор V6, да еще и имеет одну головку блока! А в прошлом году на автомобилях Volkswagen Golf IV появился двигатель VR5 — это VR6, от которого «отрезали» один цилиндр.
После этого мотористы концерна VW вообще словно с цепи сорвались.
Они придумали суперкомпактный W-образный двигатель. W12, которым снабжен концепт-кар W12 Roadster, — это два двигателя VR6, установленные под углом 72 о на одном коленвале. А мотор W8, которым будут оснащать VW Passat Plus, — это два мотора VR6, от которых «отрезано» по два цилиндра и которые тоже объединены в одном блоке на одном коленвале.
А еще в Вольфсбурге подумывают о восемнадцатицилиндровом двигателе — страшно подумать, на какую он будет похож букву…
Почему же таких моторов не было раньше? О новых гидроопорах мы уже упоминали. Есть причины чисто технологического свойства. Взгляните, к примеру, на коленвал двигателя W12 — такое технологу и в страшном сне не приснится!
А еще создателям новых схем помогает… компьютер. Чтобы просчитать все варианты угла развала блока, расположения шатунных шеек, порядка вспышек в цилиндрах и выбрать самый уравновешенный, без компьютера обойтись очень сложно.
Теория и практика
Как видно, при выборе схемы силового агрегата конструкторы ставят во главу угла вовсе не степень уравновешенности. Главное — это удачно вписать в моторный отсек такой двигатель, который будет обладать наилучшим соотношением массы, размеров и мощности.
Потом, двигатели сейчас все чаще строятся по модульному принципу, и кульминацией этого стали фольксвагеновские изыски. Говоря упрощенно, на одной поршневой группе можно построить любой мотор — и трехцилиндровый, и W12.
А вибрации… Во-первых, следует различать теоретическую и действительную уравновешенность двигателя. Если коленчатый вал в сборе с маховиком не отбалансирован, а поршни и шатуны заметно отличаются по массе, то трясти будет даже рядную «шестерку».
А потом, действительная уравновешенность всегда значительно хуже теоретической — по причинам отклонения деталей от номинальных размеров и из-за деформации деталей под нагрузкой.
Так что вибрации «прорываются» из двигателя наружу при любой схеме. Поэтому автомобильные инженеры и уделяют такое внимание подвеске силового агрегата. На самом деле, конструкция и расположение опор двигателя — не менее важный фактор, чем степень уравновешенности самого мотора…