Конфигурация цилиндров двигателя

В автомобилестроении применяются многоцилиндровые двигатели с количеством цилиндров от 2-х до 12-ти. Есть, правда, редкие экзотические двигатели с 16 и даже 18 цилиндрами.

По расположению цилиндров автомобильные двигатели делятся на рядные, V-образные и оппозитные. Устанавливаются на автомобили и другие, редко встречающиеся конфигурации расположения цилиндров, например, W-образные.

Необходимо отметить, что именно эти фигурации двигателей внутреннего сгорания нашли широкое применение в автомобильных двигателях, что качается других областей применения двигателей (судостроение, авиация) конфигураций цилиндров двигателя было намного больше. В авиации вообще применялись двигатели, в которых коленчатый вал не вращался, а был закреплён неподвижно, и наоборот цилиндры двигатель вращался вокруг неподвижного коленчатого вала. Были конфигурации двигателей с двумя коленчатыми валами и много другой очень интересной экзотики, но в этой статье мы будем рассматривать только те конфигурации, которые нашли широкое применение в автомобильных двигателях.



1 – Рядные двигатели
Рядными называются двигатели оси цилиндров, которых расположены вряд вдоль оси коленчатого вала. В настоящее время выпускаются рядные двигатели с количеством цилиндров от 2 до 6. Такие двигатели обычно имеют обозначение R2, R3, R4... R12.
Наибольшее распространение имеют двигатели R4.



2 – V-образные двигатели

V-образными называются двигатели, цилиндры которых расположены в два ряда (двумя отдельными блоками, но с общим картером) в виде латинской буквы «V». Поршни обоих рядов соединены шатунами с одним, общим для обоих блоков, коленчатым валом. Цилиндры противоположных рядов имеют смещение вдоль оси коленчатого вала. Обычно угол развала двух блоков цилиндра равен 60º или 90º.
Наибольше распространение получили двигатели V6, V8 и V12. Двигатель V8 вообще национальная черта американских автомобилей.



3 – Оппозитные двигатели

Оппозитными называются двигатели, у которых цилиндры расположены в одной плоскости, друг напротив друга с обеих сторон, расположенного по середине коленчатого вала.


4 – VR-двигатели

Название это довольно условное, так назвала этот двигатель фирма Фольксваген, первая разработавшая двигатель такой конфигурации, но поскольку другого более привычного названия нет, обозначим этот тип двигателей так.

Двигатель конфигурации цилиндров «VR» это что-то среднее между рядным и V-образным двигателем. При его разработке конструкторы старались совместить преимущества рядного и V-образного двигателей.
У этого двигателя цилиндры также расположены в два ряда под некоторым углом, но в одном едином блоке цилиндров с общей для обоих рядов головкой блока цилиндров. Угол развала цилиндров очень небольшой от 10º до 15º. Поэтому, имеющие смещение вдоль оси коленчатого вала цилиндры, расположены не в двух отдельных блоках, а в одном. Первый двигатель такой конфигурации VR6 разрабатывался с целью облегчения установки мощного многоцилиндрового двигателя под капотом небольшого автомобиля.

5 – W-образный двигатель
Структура W-образного двигателя
Составной впускной коллектор
Клапанная крышка правой ГБЦ
Правая ГБЦ
Блок цилиндров
Линия соединения верхней и нижней частей картера блока цилиндров, проходящая через центр коленчатого вала
Нижняя часть картера блока цилиндров (блок общих крышек коренных подшипников)
Масляный поддон
Левая ГБЦ
Клапанная крышка левой ГБЦ

Отработав технологию производства блока VR6, Фольксваген сделал следующий шаг. Приступил к производству W-образных двигателей. Конфигурация этого двигателя получилась установкой двух блоков типа VR, как это было сделано при соединении двух рядных двигателей под некоторым углом в виде буквы V, при конструировании V-образного двигателя.
Фольксваген разработал ряд двигателей такой конфигурации: W-8, W12 и W16. а для самого мощного автомобиля в мире был разработан двигатель W18, правда, этот двигатель имеет не два, а три блока цилиндров.

Необходимо отметить, что ранее W-образными двигателями назывались двигатели, имеющие три раздельных блока цилиндров с общим картером. В каждом блоке цилиндры были расположены в ряд, вдоль одной оси. Шатуны поршней всех трёх рядов цилиндров были соединены с единственным коленчатым валом, как V-образном двигателе.
о своей конфигурации этот двигатель значительно отличается от двигателей, называемых сейчас W-образными. Этот 12-ти цилиндровый двигатель имеет не два, а три блока цилиндров, в каждом из которых расположены в ряд по четыре цилиндра. В современных W-образных двигателях W12 два блока цилиндров, в каждый из которых напоминает двигатель VR6. При этом два совмещенных в одном блоке ряда цилиндров имеют одну общую головку блока цилиндров (ГБЦ), то есть данный двигатель имеет три отдельные головки блока цилиндров.
На этом рисунке изображён дизельный двигатель Т955 W18 с воздушным охлаждением, выпущенный ещё 1943 году одной из старейших в мире автомобильных фирм Татра.

Для создания мощных двигателей необходимо увеличивать общий объём цилиндров, но размеры цилиндров тоже накладываются технические ограничения, поэтому приходится увеличивать число цилиндров. Двигатели V-образные конфигурации цилиндров сложнее и, следовательно, дороже в производстве, но имеют значительную меньшую длину при небольшом увеличении ширины, по сравнению с рядными двигателями с таким же количеством цилиндров. Такие двигатели имеют лучшие компоновочные характеристики. Представьте длину капота двигателя, под которым установлен рядный 12-ти цилиндровый двигатель. Правда, в истории мирового автомобилестроения встречались автомобиля с рядным 16-ти цилиндровым двигателем. Но тогда в городах места было много, а машин было мало, да и королевских особ, для которых выпускались подобные автомобили уже и тогда было немного.
V-образные двигатели тяжело балансируются, особенно широко распространённые V6. Поскольку двигатель имеет два блока цилиндров, приходится удваивать количество многих деталей – головок блока цилиндров, распределительных валов, деталей привода распределительных валов и деталей привода клапанных механизмов, при этом повышаются затраты энергии на трение в механизмах двигателя.

Оппозитный двигатель можно рассматривать как частный случай V-образного двигателя с развалом цилиндров 180º. Преимущество оппозитного двигателя в исключительно хорошей балансировке, но этот двигатель сложен в производстве и имеет очень плохие компоновочные характеристики, поэтому широкого распространения не получил. В настоящее время такие 4-х и 6-ти цилиндровые двигатели применяют только Porsche и Subaru.

Двигатели типа «VR» и, особенно W-образные очень сложны в производстве, многие производители автомобилей не только не смогут выпустить такие сложные в изготовлении двигатели при допустимой себестоимости, но и вообще их выпустить не могут по причине отсутствия необходимых технологий. На подобный эксперимент могут пойти только немцы, с их высочайшей технологией и вечным стремлением к техническому совершенству. Да и у немцев такие двигатели выпускает только Фольксваген. При конструировании двигателя VR-6 у специалистов стояла задача – засунуть под капот стандартных автомобилей мощный многоцилиндровый двигатель, и они великолепно справились с этой задачей. Соединив технологию создания V-образных двигателей и двигателей VR, специалисты фирмы Фольксваген создали целое семейство W-образных двигателей.

Может возникнуть вопрос, какое количество цилиндров двигателя оптимально?
В многоцилиндровых двигателях рабочий такт не происходит во всех цилиндрах одновременно. Происходящий поочередно рабочий ход позволяет многоцилиндровым двигателям работать плавнее двигателей с меньшим количеством цилиндров. Чем больше цилиндров, тем плавнее работает двигатель. Двигатели, имеющие от 1-го до 3-х цилиндров должны иметь массивный маховик, сглаживающий пульсацию крутящего момента двигателя.

Ясно, что количество цилиндров двигателя нельзя увеличивать бесконечно. Поэтому возникает вопрос – а, сколько цилиндров должен иметь двигатель. Для получения большей мощность от двигателя необходимо в нём сжигать как можно больше топливовоздушной смеси. Одним из основных способов достижения этого является увеличение объёма цилиндров. Но если сделать одноцилиндровый двигатель с очень большим объёмом, сила инерции массивных деталей этого двигателя, совершающих возвратно-поступательное движение, может разрушить двигатель. А если сделать двигатель с очень большим количеством цилиндров, резко возросшие силы трения в механизмах двигателя, увеличат внутренние потери двигателя и сделают его работу неэффективной. В настоящее время полный объём одного цилиндра многоцилиндрового автомобильного двигателя редко превышает 0,5 ÷ 0,6 литра, соответственно разумное максимальное количество цилиндров серийного двигателя лежит в диапазоне 10 ÷ 12 цилиндров. Правда существуют современные конфигурации двигателей (в названиях этих двигателей присутствует буква W) в которых количество цилиндров доходит до 16 и даже до 18.

В этом разделе было упомянуто о балансировке двигателя. Создать двигатель, работающей вообще без вибраций невозможно. Но есть двигатели с великолепной балансировкой, а есть двигатели, вибрации которых принимают как допустимые по причине низкой себестоимости производства этого двигателя. Вопрос балансировки двигателя достаточно сложный. Наша задача сейчас разобраться в принципах работы двигателя, по этому отложим вопрос о балансировке двигателя до последующего обсуждения.Самым массовым в мировом автомобилестроении является рядный 4-х цилиндровый двигатель. Такой двигатель установлен на большинстве автомобилей выпускаемых как в прошлом, так и в настоящее время. И, хотя в теории, рядный 4-х цилиндровый двигатель рассматривается как несбалансированный, за счёт различных технических ухищрений (в основном за счёт уменьшения веса деталей цилиндропоршневой группы) и ограничения объёма цилиндров удалось значительно снизить вибрации этого двигателя. Но кроме недостатков рядный 4-х цилиндровый двигатель имеет большие преимущества. Главное преимущество – низкая себестоимость производства и отработанные технологии его производства (что позволяет снизить общую стоимость автомобиля) сделали его конкурентоспособным по сравнению с другими типами двигателей при производстве доступных массовых автомобилей.