Объем двигателя — как работает и что это такое,на что влияет

Объем двигателя — как работает и что это такое,на что влияет

Двигатель – сердце автомобиля, поэтому при выборе авто покупатели часто обращают внимание на один немаловажный фактор – его объем. Однако мало кто представляет, что же такое рабочий объем двигателя и на что он влияет.

Начнем с определения – рабочий объем двигателя – это сумма всех объемов цилиндров автомобиля, где объем поршня – это произведение площади поршня на его ход, а ходом поршня называется расстояние от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки. Говоря простым языком, объем цилиндра – это объем камеры сгорания, где и происходит воспламенение и сгорание топлива.

Объём двигателя считают в кубических сантиметрах или литрах. Один литр – это 1000 кубических сантиметров. В зависимости от объема автомобили делятся на микролитражные – до 1,1 литра, малолитражные – 1,2-1,7 литра, среднелитражные – 1,8-3,5 литра и крупно литражные – свыше 3,5 литров. В основном такое разделение применяется для автомобилей с бензиновыми двигателями.

Как работает автомобильный двигатель?

Для начала, чтобы было понятнее, о чем пойдет речь, давайте рассмотрим, как происходит рабочий процесс в автомобильном двигателе, и за счет чего машина может двигаться.

Представьте себе замкнутую камеру, в которой одна стенка является подвижным поршнем. Туда через специальный патрубок поместили смесь топлива (бензина) и воздуха, а затем подожгли ее при помощи специального устройства – свечи зажигания. Смесь вспыхивает и мгновенно сгорает, по сути – взрывается. Раскаленный газ, образовавшийся в результате сгорания, толкает поршень.

С обратной стороны поршень прикреплен к коленчатому валу, через который сила толчка передается на колесную ось, приводящую автомобиль в движение. Чем больше сгорит топлива, тем сильнее будет толчок.

Соответственно, большая камера сгорания обеспечит бОльшую мощность двигателя, чем маленькая. Это, конечно, очень упрощенное объяснение, на практике на мощность влияет множество факторов.

Что такое объем двигателя?

Камера, где сгорает топливно-воздушная смесь, другими словами называется цилиндром двигателя. В современных автомобильных двигателях этих цилиндров (камер цилиндрической формы) обычно несколько – четыре, шесть, восемь или даже двенадцать.

Объем двигателя определяется как суммарный объем всех цилиндров, или же как объем одного цилиндра, умноженный на их количество. Объем одного цилиндра определяется в момент, когда поршень опущен до упора, в самую нижнюю точку. Объем двигателя может быть выражен в кубических сантиметрах или в литрах (литраж автомобиля).

Как делятся автомобили по классам с учетом объема двигателя

В модельном ряду каждого производителя присутствуют продукты, которые отличаются по классам, массе, габаритным размерам и другим характеристикам. Что касается легковых авто, во время тотального доминирования атмосферных бензиновых двигателей существовало условное деление на: субкомпактные и компактные микролитражные и малолитражные автомобили с рабочим объемом до 1.2 литра; авто малого класса с двигателями от 1.2 до 1.8 литра; средний класс с объемом от 1.8 до 3.5 литров. мощные гражданские и спортивные версии автомобилей с моторами от 3.5 литров и более; версии высшего класса, кторые могут иметь различный объем ДВС. Давайте взглянем, на что влияет объем двигателя.

Установка того или иного мотора на конкретную модель напрямую зависит от того, какие характеристики должна демонстрировать машина (разгонная динамика, крутящий момент, максимальная скорость и т.д.). От объема двигателя показатель мощности имеет зависимость по причине того, что чем больше топлива сгорит в камере сгорания за цикл, тем больше энергии высвобождается и передается на поршень. Другими словами, чем больше камеры сгорания, тем больше топливно-воздушной смеси туда можно подать и вместить. Динамика разгона и «максималка» также зависят от мощности двигателя. Чем мощнее мотор, тем большую скорость сможет развить автомобиль.

Также следует учитывать, что увеличение объема камер автоматически означает больший расход топлива. Нужно добавить, что от объема двигателя сильно зависит и цена автомобиля. Например, для производства мощного двигателя V12 с объемом 5.5 л. требуются намного большие затраты сравнительно с изготовлением трехцилиндрового мотора с объемом 0.8 л. Параллельно с этим следует учитывать, что установка под капот мощного силового агрегата повлечет необходимость серьезной доработки трансмиссии, системы охлаждения, впуска, выпуска, тормозной системы и т.д. Исходя из вышесказанного, небольшие бюджетные городские малолитражки зачастую оснащены ДВС с самым маленьким объемом, так как подобные двигатели просты в изготовлении, обеспечивают приемлемую динамику и отличаются небольшим расходом топлива. При этом цена на такие серийные авто остается приемлемой.

На что влияет объем двигателя?

• Во-первых, расход бензина. Чем больше объем цилиндра, тем больше топлива надо, чтобы воспламенить его с наибольшей отдачей, соответственно, расход повышается. Однако этот минус оборачивается не менее ощутимым плюсом. Чем больше объем двигателя, тем больше мощность двигателя, так как большее количество бензина выделяет большее количество энергии
• Во-вторых, как уже было отмечено, чем больше объём, тем больше мощность, то есть, автомобиль с двигателем большего объёма будет быстрее разгоняться, сможет перевозить более тяжелые грузы и большее количество пассажиров

Зачастую двигатели большего объема оказываются гораздо более экономичными: не приходится слишком сильно давить на педаль газа, чтобы разогнать машину. Расход топлива не увеличивается, в то время, как малолитражные двигатели под нагрузкой сжигают гораздо больше топлива.

Чем больше объем, тем больше сам двигатель, тем больше машина. Скажем так: большие объемы используются на машинах более высокого класса, потому двигатель и все другие системы дороже в обслуживании. Цена на такой автомобиль заведомо выше.

Для того, чтобы понять, какой именно автомобиль вам более подходит, следует усвоить, что микро- и малолитражные автомобили лучше всего подходят для движения в больших городах с пробками на дорогах. Их расход будет в городском потоке минимален по сравнению с другими авто, но, в свою очередь, такие авто не подходят для дальних путешествий, так как на скорости свыше 100 км/ч им явно не хватает мощности. Много груза они перевозить также не смогут.

Автомобили с объемом от 1,8 до 3 литров отлично подходят как для городского движения, так и для дальних поездок, их мощности хватает для разгона и движения на большой скорости, для перевозки грузов, причем расход бензина у таких автомобилей не так уж и велик.

Автомобили оснащенные двигателями от 3 литров — это либо внедорожники, либо микроавтобусы и минивэны, предназначенные для перевозки большего количества пассажиров или груза.

Увеличение рабочего объема двигателя

Физическое увеличение объема камеры сгорания является одним из способов форсирования мотора в целях повышения мощности. Начнем с того, что сильно увеличить объем не получается, так как блок цилиндров двигателя обычно рассчитан на расточку самих цилиндров строго до определенных пределов. Такие пределы предполагают 3 капитальных ремонта, во время которых изношенные цилиндры растачиваются для возвращения им правильной формы перед установкой ремонтных поршней, поршневых колец и других элементов увеличенного размера. Поршни и другие детали двигателя, которые доступны в продаже, также встречаются исключительно в трех ремонтных размерах. По этой причине во время глубокого тюнинга двигателя автомобиля лучше сразу менять мотор, то есть устанавливать другой двигатель с изначально большим рабочим объемом, который потом можно дополнительно расточить во второй или последний ремонтный размер.

Самые надежные двигатели 2,0 литра

Какой двигатель надежнее и долговечнее? Расставляем по местам восемь атмосферных бензиновых моторов объемом 2,0 литра.
Двигатель — основной и самый дорогостоящий агрегат, от его надежности во многом зависит, затратным ли окажется содержание автомобиля. Особенно это актуально для покупателей подержанных машин. Хотя бы потому, что обычно моторы начинают требовать внимания уже по истечении гарантийного срока — чаще у вторых или третьих хозяев. Именно им в первую очередь адресован наш рейтинг, подготовленный совместно с московской компанией ИНОМОТОР, которая около двадцати лет занимается профессиональным ремонтом двигателей.
Мы запланировали несколько сравнительных материалов, в которых рассмотрим двигатели разного объема. Начнем с атмосферных бензиновых двухлитровых моторов. Поскольку добротный капитальный ремонт — удовольствие недешевое, к мотористам почти не привозят агрегаты меньшей кубатуры: их восстановление обойдется дороже так называемого контрактного двигателя с пробегом, привезенного из-за границы. Поэтому статистика по таким моторам слишком скудна для сравнительного анализа.

В рейтинге представлены хорошо изученные и популярные двигатели, дебютировавшие 10–15 лет назад. Примерно в это время произошло значительное падение качества — существенно снизились ресурс моторов и их надежность. По большей части эти агрегаты ставили на автомобили предпоследнего поколения, многие из которых стали бестселлерами на вторичном рынке. Они накатали солидные пробеги, дав достаточно материала для размышлений о надежности.
Основной критерий при распределении мест — общий ресурс двигателей. Кроме того, оцениваем надежность их отдельных систем и элементов, а также качество изготовления деталей. Технологии ремонта мы подробно рассматривали в материале «Вторая жизнь» (ЗР, 2015, № 1). Практически все элементы моторов можно восстановить — вопрос лишь в экономической целесообразности. Подходы к ремонту двигателей, представленных в обзоре, идентичны, разница лишь в количестве деталей, требующих лечения. Поэтому в качестве дополнительного критерия сравнения рассматриваем стоимость и доступность запчастей.

В целом атмосферные бензиновые моторы объемом 2,0 л — довольно ресурсная и не самая проблемная группа; многие двигатели тех же семейств, но с бóльшим объемом, например 2,3–2,5 литра, значительно капризнее. Это справедливо и для «призеров» нашего рейтинга.

8-е место: BMW

Двигатели BMW серий N43, N45 и N46 принадлежат к одному семейству, хотя имеют конструктивные различия. Их основные носители — модели 318i, 320i (E90) и 520i (E60) — представители предпоследних поколений BMW третьей и пятой серий.

Средний ресурс моторов по износу цилиндропоршневой группы оценивают ниже 150 000 км — качество изготовления деталей не выдающееся. Двигатели технически сложны для своего времени — пожалуй, даже чересчур. У них много систем и узлов, начинающих капризничать еще до наступления естественного износа цилиндров и поршневых колец.
Моторы конструктивно склонны к потреблению масла, причем ситуацию усугубляют некоторые неисправности. По причине выхода из строя резиновой диафрагмы клапана вентиляции картерных газов масло начинает попадать во впускной трубопровод — автомобиль дымит, как паровоз. К 100 000 км пробега из-за износа направляющих втулок возникает повышенный люфт клапанов системы ГРМ, в результате масло через маслосъемные колпачки попадает прямиком в камеру сгорания. К тому же неполное закрытие клапанов приводит к пропускам зажигания и перебоям при холодном пуске мотора зимой.

До 150 000 км обычно не доживают цепь ГРМ и муфты изменения фаз газораспределения. Из-за неравномерного удлинения цепь начинает шуметь, возможен даже обрыв, и тогда встреча поршней с клапанами неизбежна. Но чаще она только перескакивает на несколько зубьев без катастрофических последствий. Вдобавок к механическому износу муфт изменения фаз примерно к 100 000 км пробега масляные отложения забивают управляющий ими соленоид — мотор переходит в аварийный режим.
Капризна и система изменения высоты подъема впускных клапанов (Valvetronic), которая работает вместо привычной дроссельной заслонки. После 100 000 км пробега масляными отложениями забивается дорогостоящий электромотор, и в конце концов его заклинивает. Из-за частой езды по пробкам на клапанах нарастает нагар, что оборачивается их неполным закрытием. На оборотах холостого хода чувствительная система воспринимает это как серьезную неисправность, мотор начинает работать с перебоями, загорается контрольная лампа Check Engine.

Эти моторы BMW, как и многие их современники, не имеют заводских ремонтных размеров. В случае критического износа стенок цилиндров мотористы растачивают и гильзуют блоки, сохраняя при этом номинальный размер поршневой группы. Увы, оригинальные запчасти моторов BMW — самые дорогие среди прочих из нашей подборки, а аналогов им практически нет. Капитальный ремонт этих моторов наиболее затратный.

7-е место: Volkswagen

Моторы 2.0 FSI ставили на многие модели концерна Volkswagen. Самые распространенные — Golf V, Passat B6, Octavia и Audi A3 второго поколения.
Средний ресурс двигателей — 150 000 км. Мотористы оценивают уровень качества изготовления их элементов как средний. Подобно моторам BMW, фольксвагеновские агрегаты 2.0 FSI из-за технически сложной конструкции не блещут надежностью, но масштабы бедствия поменьше.

Топливная аппаратура непосредственного впрыска капризна. Дорогостоящие, но недолговечные форсунки и ТНВД умирают уже после 100 000 км пробега. Кроме того, вследствие конструктивного недостатка системы питания возникает неравномерный износ цилиндров: форсунка распыляет бензин практически на противоположную стенку цилиндра, тем самым смывая с нее масло. Уже к 120 000 км пробега цилиндр в этой зоне из-за износа имеет отчетливую бочкообразную форму.

Еще один недостаток непосредственного впрыска: топливо не очищает впускные клапаны от нагара. Рано или поздно это приводит к их неполному закрытию и нестабильным холодным пускам мотора, особенно зимой. Усугубляет ситуацию быстрый износ направляющих втулок клапанов (как у моторов BMW), что вдобавок ведет к повышенному расходу масла.
Отметились двигатели FSI и частым залеганием поршневых колец. Заметное уменьшение их толщины значительно повлияло на жесткость. Кстати, это одна из тенденций в современном двигателестроении: снижение массы сказывается на надежности. Менее жесткие кольца быстрее теряют свою исходную геометрию, закоксовываются и фактически перестают работать. Один из предвестников этого — затрудненный холодный пуск мотора в зимний период.

Ремонтные размеры для моторов FSI не предусмотрены. Оригинальные запчасти не из дешевых. Благо, на рынке предостаточно заменителей. В целом стоимость капитального ремонта двигателей FSI высока, дороже только у агрегатов BMW.

6-е место: Ford/Mazda

Совместное детище компаний Ford и Mazda — двигатели семейства Duratec HE/MZR. Эти идентичные моторы широко распространены, их устанавливали на такие массовые модели, как Mazda 3 и Mazda 6 первых двух поколений, Focus и Mondeo предыдущих генераций.
Ресурс моторов — 150 000–180 000 км. Конструктивно они довольно просты, но, увы, качество деталей оставляет желать лучшего. Кроме того, эти двигатели особенно чувствительны к масляному голоданию и перегревам.

При активной езде значительно возрастает расход масла. Если владелец не уследил за его уровнем, велик риск проворота шатунных и коренных вкладышей коленчатого вала. На этих двигателях вкладыши выполнены без замков и установлены внатяг — на месте они удерживаются лишь благодаря упругости металла. К сожалению, сегодня это еще одно распространенное решение. Достаточно непродолжительного масляного голодания или незначительного перегрева мотора, и вкладыши теряют свою геометрию.

При провороте вкладышей страдают шейки коленвала и его постели в блоке цилиндров. При их ремонте всплывает посредственное качество изготовления. Нередки случаи, когда трескаются шейки вала: дорогостоящий вал — на выброс. А при откручивании болтов коренных крышек из отверстий высыпаются ошметки резьбы. Очевидно, что при сборке она уже не выдержит требуемого момента затяжки. Приходится ее восстанавливать с помощью футорок.

У двигателей нет ремонтных размеров. При этом для двигателей моделей Ford запчасти по отдельности недоступны — только как шорт-блок (блок цилиндров в сборе). Благо, в продаже есть аналогичные детали Мазды. На рынке представлены и неоригинальные запчасти. Цена капитального ремонта моторов средняя.

5-е место: Renault-Nissan

Моторы концерна Renault-Nissan семейств M4R/MR20 больше знакомы по японским кроссоверам. Агрегатом MR20 вооружали X‑Trail предыдущего поколения, а Qashqai не расстался с ним и поныне. Французский аналог стоял на Мегане третьего поколения и пока еще доступен для Флюэнса.

Ресурс моторных братьев составляет 180 000–200 000 км. Качество деталей лучше, чем у ближайших конкурентов — моторов для автомобилей Ford и Mazda, но без слабых мест тоже не обошлось. Иногда появляются трещины на шейках коленчатых валов и возникает деформация четвертого цилиндра — как правило, когда сервисмены при установке коробки передач перетягивают болты крепления. Недолговечна цепь ГРМ: растягивается уже к 80 000 км пробега.

Как обычно, ремонтные размеры не предусмотрены. Доступны оригинальные запчасти по отдельности. По стоимости капитального ремонта эти двигатели сопоставимы с парой Ford/Mazda.

4-е место: Mitsubishi

Мотор Mitsubishi серии 4B11 открывает подгруппу двигателей, лишенных серьезных болезней. Его ставили на Outlander предыдущего поколения и Lancer Х первых лет выпуска.

Ресурс двигателя — 180 000- 200 000 км. Качество изготовления его элементов хорошее. Общая надежность мотора во многом обусловлена еще и простотой конструкции, лишенной капризных систем. Как правило, двигатели попадают к ремонтникам из-за естественного износа цилиндропоршневой группы.

Мотор имеет ремонтный размер. Доступны оригинальные запчасти по отдельности.

По стоимости восстановления двигатель Mitsubishi сопоставим с моторами Renault, Nissan, Ford, Mazda.

3-е место: Honda

Мотор Honda серии R20 ставили преимущественно на Accord седьмого и восьмого поколений и на CR-V двух последних генераций.

Ресурс — около 200 000 км. Качество изготовления деталей чуть выше, чем у мотора Mitsubishi. Двигатель R20 надежен и конструктивно прост. Простая схема регулировки клапанов «винт — гайка» не требует подбора и замены толкателей клапанов. При соблюдении регламента этой операции (каждые 45 000 км) R20 не будет доставлять хлопот вплоть до возникновения естественного износа цилиндропоршневой группы.

Ремонтные размеры для двигателя не предусмотрены. Запчасти для моторов Honda недешевы, поэтому капитальный ремонт один из самых дорогих в японской подгруппе.

2-е место: Toyota

Хорошо зарекомендовавший себя мотор Toyota серии 1‑AZ трудился под капотом, например, Авенсиса второго поколения и кроссовера RAV4 предпоследней генерации.

Ресурс — около 200 000 км. Качество изготовления элементов очень хорошее. В нашем списке два явных лидера по этому показателю — Toyota и Subaru. Двигатель 1‑AZ опередил хондовский R20 и по другому параметру: оригинальные детали для него относятся к числу наиболее дешевых. Цена восстановления двигателя 1‑AZ — самая низкая в нашем рейтинге.

1-е место: Subaru

Самым надежным и «долгоиграющим» двигателем в группе мотористы назвали оппозитный агрегат Subaru серии EJ20, знакомый с конца 1990‑х. Его до сих пор ставят на некоторые модели, предназначенные для японского рынка. В Европе эпоха этого оппозитника закончилась в 2011 году, когда ему на смену пришел обновленный мотор серии FB с цепным приводом ГРМ вместо ременного. Среди последних распространенных моделей Subaru мотором EJ20 вооружают Forester и Импрезу третьего поколения.

Ресурс — 250 000 км. Качество деталей такое же высокое, как у тойотовского 1‑AZ, и вдобавок у EJ20 есть еще один козырь. Это один из немногих двигателей из нашего списка, для которого предусмотрен хотя бы один заводской ремонтный размер — большая редкость для моторов начала 2000‑х годов.

Однако и у двигателя Subaru есть свой минус. Хотя и имеется альтернатива гильзовке блока, но оригинальные запчасти дороговаты, а аналогов очень мало.

Среди японской «большой четверки» мотор Subaru потребует самых больших расходов на капитальный ремонт. Высокий ресурс и надежность стоят денег.

Двигатели. Рядный? V-образный? «Оппозит»?

Рядный шестицилиндровый двигатель — редкий пример абсолютно уравновешенного мотора. Вымирающий вид. А какой ещё архитектуры бывают ДВС и на что она влияет?

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

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

Очень маленькие цилиндры часто встречаются на японских микролитражках: например, объём рядной «четвёрки» у Subaru R1 — всего 658 см³. Из «европейцев» отличился трёхцилиндровый дизельный Smart — 799 «кубиков». Есть цилиндры-напёрстки и у «корейцев»: трехцилиндровый Matiz — это 796 «кубиков», а четырёхцилиндровый — 995. «Четвёркой» объёмом 1086 см³ оснащаются Hyundai i10 и Kia Picanto. На другом полюсе — конечно же «американцы». Объём «восьмёрки» купе Chevrolet Corvette Z06 составляет 7011 см³. Хотя японцы, например, оснащали внедорожник Nissan Patrol предыдущего поколения рядной «шестёркой» TB48DE объёмом 4758 «кубиков».

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

Простота хуже компактности

О чём 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 объём.

• Двигатель R3 (А). Угол между кривошипами — 120°.
• Добиться равномерности вспышек в двухцилиндровом двигателе (В) можно только при двухтактном цикле.
• А такой мотор (C), например, стоит на «Оке». Поршни движутся синфазно.

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

В современных четырёхтактных двухцилиндровых двигателях, вроде турбомотора Фиата 500, проблему вибраций отчасти решает балансирный вал.

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

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

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

Два мотора R3, составленные друг за другом, дают великолепный результат — абсолютно уравновешенную рядную «шестёрку».

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 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 ещё и занимают много места в ширину. Поэтому из компоновочных соображений они применяются довольно редко — производителей «боксеров» можно пересчитать по пальцам.

А как сделать 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 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 ещё 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? , 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 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.

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 (такой, например, стоял 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 применялись два вала с противовесами. А как же быть с силами второго порядка? Для того чтобы с ними справиться, пришлось бы добавить ещё два балансирных вала, что на двухцилиндровом моторе, изначально предназначенном для маленьких и дешёвых автомобилей, было бы совершенно неуместным.

Впрочем, это ещё 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 дешёвым! Дешевизна двухцилиндровых двигателей соблазняет разработчиков и сегодня: не зря же эту схему использовали создатели самого доступного автомобиля планеты, индийского хэтчбека Tata Nano.

Машин с оппозитной «двойкой» — по экономическим и компоновочным соображениям — было немного. Можно упомянуть, например, французский Citroen 2CV.

Двухцилиндровый двигатель, у которого кривошипы направлены в разные стороны (под углом 180°), можно встретить сегодня только на мотоциклах. Поскольку поршни в нём всегда движутся в противофазе, то он уравновешен лучше. Однако равномерного чередования вспышек в цилиндрах можно добиться только на двухтактных моторах — такие двигатели устанавливались на довоенные DKW и их прямых наследников, пластиковые гэдээровские Трабанты. По причине простоты и дешевизны никаких балансирных валов на них тоже не было, а с возникающими вибрациями просто мирились.

Автомобиль с двухцилиндровым мотором припоминается только один — отечественный . А до наших дней этот тип двигателя дожил только на мотоциклах — вспомните американский Harley Davidson и его японских последователей с их «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.

Трёхцилиндровый двигатель уравновешен хуже, чем рядная «четвёрка», и поэтому производители трёхцилиндровых моторов — например, Subaru и Daihatsu — стараются оснащать их балансирными валами. В своё время опелевские двигателисты решили отказаться от балансирного вала, разрабатывая трёхцилиндровый мотор семейства Ecotec для Корсы второго поколения — в целях удешевления и уменьшения механических потерь. И трёхцилиндровая Corsa после дебюта в была раскритикована немецкими автожурналистами: «По городу на переменных режимах ездить совершенно невозможно».

В самой популярной среди двигателистов рядной «четвёрке» остаётся свободной сила инерции второго порядка. Её 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 придётся ставить ещё один, вращающийся в противоположную сторону. Дорого? Безусловно. Однако моторы с балансирными валами можно встретить на автомобилях Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat и самых разных марок концерна Volkswagen.

Пример рядной «четвёрки» с балансирными валами — двухлитровый двигатель Audi. Валы располагаются по обе стороны от коленвала и с удвоенной скоростью вращаются в противоположные стороны. Здесь балансирные валы расположены снизу и соединены зубчатой передачей, а раньше (как, например, на приведённом на картинке внизу двигателе Saab 2.3) их располагали сверху и у каждого был свой шкив цепного привода.

Кстати, оппозитная «четвёрка» 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.

Subaru из компоновочных соображений предпочитает рядной «четвёрке» оппозитную. Что до вибраций, то силы инерции второго порядка у «боксера» уравновешены, но момент от них всё же остаётся свободным.

У рядных «пятёрок» 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 жёстким. Однако и Mercedes-Benz, и Audi, и Volvo борются с вибрациями, дорабатывая подвеску силового агрегата или применяя специальные противовесы (как у наддувной «пятёрки» 2.5 TFSI на Audi TT RS). И только фиатовские мотористы применяли балансирный вал, который полностью уравновешивал все моменты.

• На картинке FIAT JTD от хэтчбека Croma — потомок пятицилиндрового турбодизеля Fiat TD 125 объёмом 2387 см³, образованного путём добавления одного цилиндра к «четвёрке» TD 100. Балансирный вал — слева, в нижней части картера.
• Под каким углом расположить кривошипы коленвала рядной «пятёрки»? 360° делим на пять. Правильно — 72°!

Кстати, практически все «пятёрки» образованы путём прибавления ещё одного цилиндра к четырёхцилиндровому 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 «четвёрки». Понадобятся иные блок и головка цилиндров и, само собой, коленчатый вал, кривошипы которого должны быть расположены под углом в 72°.

О шестицилиндровых моторах — мечте с точки зрения уравновешенности — мы уже упоминали. А вот в моторах V6, которые вытесняют рядные «шестёрки», ситуация с уравновешенностью такая же, как у «трёшки», то есть не ахти. Поэтому, например, балансирным валом в развале блока цилиндров был оснащён самый первый двигатель V6 фирмы Mercedes-Benz — заслуженный М112 с тремя клапанами на цилиндр. У трёхлитровой «шестёрки» концерна PSA вал находился в одной из головок блока. На других моторах того времени инженеры пытались не усложнять конструкцию и старались свести уровень вибраций к минимуму за счёт усовершенствованной подвески силового агрегата и хитроумного смещённого расположения шатунных шеек коленчатого вала (как, например, на Audi V6).

• В моторе V6 с углом развала блока 90° сдвоенные кривошипы расположены под углом 120°. А в моторах с развалом 60° каждый шатун приходится устанавливать на своём кривошипе.
• Для уравновешивания свободного момента от сил второго порядка мотору V6 90° необходим один балансирный вал (показан стрелкой). В двигателе Citroen 3.0 V6 он был установлен в одной из головок блока.

У новейших мерседесовских двигателей V6 угол развала блока сократился до 60°, в результате чего необходимость в балансирном вале отпала.

Добавим сюда ещё одно замечание — в моторах V6 с развалом в 90° не обеспечивается равномерное чередование вспышек в цилиндрах. Возникающая неравномерность хода может компенсироваться за счёт утяжелённого маховика, но лишь отчасти. Вот вам и ещё один источник вибраций.

Двигатели V8 с углом развала цилиндров в 90° и коленвалом, кривошипы которых 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 моторов? Вибрации и тряски в своих автомобилях они очень не любят.

Напоследок можно поговорить о схемах необычных. Сначала вспомнить о моторах V4. Таких было немного — европейский Ford образца 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.

• Ford и ЗАЗ выбрали экзотику: мотор V4, в котором и угол развала блока, и угол между кривошипами составляют 90°.
• Угол развала цилиндров моторов V2 колеблется от 25° до 90°.

А что насчёт «десяток»? Как можно видеть, степень уравновешенности таких моторов точно такая же, как и у моторов R5. Впрочем, конструкторы прежних моторов Формулы-1 или монстров Dodge Viper и Dodge RAM, где стоят двигатели V10, о вибрациях думали далеко не в первую очередь.

Двигателями V10 отметилась целая череда знаковых машин: BMW M5, Audi S6 и S8, а также RS6 с наддувной «десяткой». Не говоря уже об автомобилях Lamborghini. Наконец, Lexus LFA тоже оснащается двигателем V10.

Ну а прочие схемы легко свести к предыдущим. Например, оппозитная «восьмёрка» (пример применения — гоночные болиды Porsche 917) — это две «четвёрки», работающие на один коленвал. А и оппозитный двенадцатицилиндровые двигатели можно свести к двум рядным «шестёркам».

VR6, VR5, W12.

Помните, мы упоминали о моторах с малым углом развала блока — как на Лянчах? Раньше таких схем избегали — уравновесить их сложнее, чем моторы с развалом в 60° или 90°, а выигрыш в компактности тогда ценили не так.

Но теперь ситуация изменилась. Во-первых, повсеместно применяются гидроопоры силового агрегата, которые значительно ослабляют вибрации. Во-вторых, пространство под капотом нынче на вес золота. Ведь кто раньше мог себе представить скромный хэтчбек с мотором? А теперь — пожалуйста! Всё началось с Фольксвагена Golf VR6 третьего поколения.

Знаменитый фольксвагеновский двигатель VR6, «V-образно-рядный» мотор (об этом и говорит обозначение VR), стал дальнейшим развитием двигателей с малым углом развала блока. Цилиндры этого мотора разведены на ещё меньший угол, чем на Лянчах, — всего на 15°. Угол настолько мал, что такой мотор называют ещё «смещённо-рядным». Гениальное решение — «шестёрка» 2.8 компактнее, чем обычный мотор V6, да ещё и имеет одну головку блока! Потом появился двигатель VR5 — это VR6, от которого «отрезали» один цилиндр. После этого мотористы концерна Volkswagen вообще словно с цепи сорвались.

Двигатель VR5 2.3 конструкторы Фольксвагена получили, отняв один цилиндр от мотора VR6. Угол развала компактного блока — 15°, все пять цилиндров укрыты одной головкой блока.

Они придумали суперкомпактный двигатель W12, который дебютировал в 1998 году на концепт-каре W12 Roadster. Это два двигателя VR6, установленные под углом 72° на одном коленвале. Но прежде в серию пошёл мотор W8, которым оснащалась топ-модель седана Passat. Там тоже два мотора VR6, от которых «отрезано» по два цилиндра и которые тоже объединены в одном блоке на одном коленвале. Когда-то в Вольфсбурге подумывали и о восемнадцатицилиндровом двигателе — но в итоге остановились на W16 с четырьмя турбокомпрессорами, который разгоняет Bugatti Veyron до 431 км/ч.

Супермотор W12, показанный на концепте имени себя, приводит в движение представительские модели фирм Audi, Volkswagen и Bentley. На фото хорошо видно шахматное расположение цилиндров пары блоков, объединённых в одной отливке под углом 72°. Длина мотора — всего 51 см, ширина — 70 см.

Почему же таких моторов не было раньше? Взгляните, к примеру, на коленвал двигателя W12 — такое технологу и в страшном сне не приснится! Создателям новых схем должен помогать компьютер. Чтобы просчитать все варианты угла развала блока, расположения шатунных шеек, порядка вспышек в цилиндрах и выбрать самый уравновешенный, без помощи вычислительных мощностей 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 всё чаще строятся по модульному принципу. Говоря упрощённо, на одной поршневой группе можно построить любой мотор — и трёхцилиндровый, и W12. Вслед за Фольксвагеном на модульные конструкции переходит всё больше производителей. Новейшая линейка моторов Mercedes — тому отличное подтверждение.

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 «шестёрку». А потом, действительная уравновешенность всегда значительно хуже теоретической — по причинам отклонения деталей от номинальных размеров и из-за деформации узлов 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.

Материал адаптирован к публикации с разрешения ООО «Газета «Авторевю». Все права на перепечатку принадлежат Авторевю.

Источник https://seite1.ru/zapchasti/obem-dvigatelya-kak-rabotaet-i-chto-eto-takoena-chto-vliyaet/.html

Источник https://www.drive2.ru/b/454518316787041416/

Источник https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html