Сбалансированность мотора уменьшает вибрации, ведёт к снижению износа и как результат к увеличению ресурса двигателя.
Рядные двигатели
Классический двигатель внутреннего сгорания — рядный, где все цилиндры расположены в один ряд. В литературе такая конструкция обозначается буквой I или R (от английского Row или немецкого Reihe— ряд), а цифра, стоящая рядом, указывает на число цилиндров (R3, R4, R5, R6). Хотя в жизни обозначение «R» встречается редко — автопроизводители не стремятся отдельно выделять «рядность» мотора, считая такую схему обыденной. Вы никогда не встретите шильдик R6 на крышке багажника, в отличие от V6 — хотя рядная «шестёрка» во многом превосходит V-образную. Но об этом ниже.
Рядный 4-цилиндровый двигатель (R4) — самый распространённый в мире, поскольку попадает в наиболее ходовой диапазон рабочего объёма: от 1 до 3 литров. Есть и более объёмные представители: например, тойотовский турбодизель 15B с кубатурой 4,1 л, который ставят на Mega Cruiser, грузовик Dyna и другие модели. Обратный пример — рядный моторчик Subaru EN07 (модели R1, R2, Pleo) объёмом всего 658 «кубиков». Но это всё-таки исключения: оптимальным объёмом одного цилиндра мотористы считают 0,3–0,7 л. Соответственно, большинство 4-цилиндровых двигателей имеют рабочий объём от 1,2 до 2,8 л.
Ещё одна причина популярности рядной «четвёрки» — её относительная компактность. Мотор R4 можно установить почти на любой автомобиль как продольно, так и поперечно. Чего не скажешь о рядной «шестёрке» R6 — дополнительные 2 цилиндра существенно увеличивают длину агрегата. Установить такой двигатель поперечно инженерам удавалось в единичных случаях (Volvo S80 и XC90, Chevrolet Epica) в паре с компактной коробкой передач. В основном моторы R6 устанавливают продольно.
6 цилиндров в ряд (Straight-6) является одной из лучших конструкций двигателя — такая схема полностью сбалансирована и лишена вибраций, отличается плавной работой и эластичностью. Моторы R6 традиционно применяли немецкие производители (BMW, Mercedes-Benz), а также японские: Nissan (серии RB25/RB26, TB45/TB48, дизель TD42), Toyota (серии M, 1G, 1JZ/2JZ, дизели 1HZ/1HD). К сожалению, почти все эти двигатели в настоящий момент вытеснены более универсальными моторами V6.
У рядной «восьмёрки» проблем из-за исполинских размеров ещё больше. Моторы R8 встречались на американских машинах середины прошлого века, советских лимузинах ЗИС-101 и ЗИС-110. Сегодня такие двигатели работают только на судах и тепловозах, а на автомобилях их полностью вытеснили моторы V8.
Рядные двигатели с нечётным числом цилиндров также встречаются (R3, R5). В большинстве случаев они созданы на базе рядной «четвёрки», которой добавили или отняли один цилиндр. Существуют и двухцилиндровые автомобили (Fiat 500, отечественная «Ока»), но в основном моторы R2, как и двигатели с 1 цилиндром, применяются на мотоциклах.
V-образные двигатели
Очевидно, что главная проблема рядного мотора с 6 и более цилиндрами — чрезмерная длина. Как сделать его компактнее? «Распилить», расположив цилиндры в виде латинской буквы V (отсюда и обозначение).
V-образные моторы заметно сложнее рядных: у них две головки блока цилиндров (каждая со своей прокладкой, распредвалами, коллекторами), причудливее схема привода ГРМ. А ещё «вэшки» вибрируют: V8 чуть меньше, V6 и V10 — сильнее. И лишь грозный V12 уравновешен полностью, как и R6 — по сути, он и представляет собой две рядных «шестёрки», соединённых вместе. Но встретить V12 можно только на люксовых машинах и суперкарах.
Основа популярности мотора V6 — его универсальность: он достаточно компактен, поэтому может быть установлен как продольно, так и поперечно. Та же Toyota перестала ставить рядные двигатели серии JZ на свои большие седаны (Mark II, Crown и их производные), перейдя на V-образную серию GR, которую можно встретить на доброй половине модельного ряда: от переднеприводных Camry до внедорожников Land Cruiser Prado. Выпускать универсальные двигатели намного выгоднее, чем специфичные.
Балансировка мотора V6 вызывает определённые сложности у инженеров из-за блуждающих в нём моментов от сил инерции поршней и центробежных сил — чаще всего приходится использовать балансировочные валы, что дополнительно усложняет и без того не самую простую конструкцию двигателя. Угол развала цилиндров у V-образных моторов может быть разным: обычно это 45, 60, 65 или 90 градусов — оптимальные значения с точки зрения вибраций.
Рядно-смещённые двигатели VR и W
Компромиссом между рядной и V-образной схемой стала рядно-смещённая компоновка (VR). Такие моторы активно применяет концерн Volkswagen. VR представляет собой V-образный мотор с экстремально малым углом развала цилиндров (10–20°), что позволяет накрыть их общей головкой блока, как у рядного мотора.
Плюсы такого решения — отказ от второй головки (а значит упрощение и удешевление конструкции) и компактные размеры. Минусы — чудовищные вибрации: чтобы хоть как-то сбалансировать рядно-смещённый мотор, приходится значительно утяжелять коленчатый вал и маховик, применять балансировочные валы, особые подушки двигателя и другие технические решения. Из-за этого схема VR не получила распространения у других автопроизводителей, став фирменной чертой автомобилей VAG.
Volkswagen же активно развивал своё «дитя», придумав W-образный двигатель — V-образный мотор из двух блоков VR на одном коленвале. Такие силовые агрегаты встречаются на флагманах VW, Audi и Bentley.
Оппозитные двигатели («боксёры»)
Оппозитный двигатель иногда называют V-образным с углом развала 180°, но это не совсем верно. В V-образной схеме поршни двигаются синхронно, в то время как в оппозитной — зеркально, словно боксируя друг с другом. Из-за этого оппозитные двигатели называют «боксёрами» (Boxer), обозначая буквой B: B2, B4, B6, B8. Хотя свой 6-цилиндровый «боксёр» EZ30 Subaru называет H6.
Самый популярный оппозитный двигатель стоял на легендарном «Жуке» Volkswagen Old Beetle (Käfer), которых за полвека выпустили 21,5 млн штук. В современных машинах «боксёры» используют только Porsche и Subaru, хотя в мототехнике они широко представлены на моделях BMW и «Уралах
Плоский горизонтальный «боксёр» — весьма широкий двигатель, что не позволяет записать ему в преимущества компактность. В чём же плюсы такой компоновки? Во-первых, в низком центре тяжести (мотор находится очень близко к земле), что даёт лучшую устойчивость и управляемость автомобиля. Во-вторых, коленвал таких двигателей намного короче, легче и прочнее, по сравнению с рядной схемой. Да и вибрирует оппозитная «четвёрка» меньше, чем рядная, поскольку зеркальное движение поршней взаимно компенсирует их силы инерции. А оппозитная «шестёрка» B6/H6 вообще полностью уравновешена, как и рядная.
Характерные минусы «боксёров»: две головки блока (что для мотора с 4 цилиндрами явно избыточно), затруднённое облуживание и переусложнённая конструкция. А их ключевое преимущество в виде низкого центра тяжести играет роль в автоспорте, но не при повседневной городской езде — обычный водитель вряд ли заметит разницу между «рядником» и «боксёром».
Вибрации и балансировка двигателей
Что водитель чувствует сразу, так это вибрации двигателя — они ухудшают комфорт и могут весьма серьёзно досаждать пассажирам. Помимо этого, вибрации снижают надёжность техники, поэтому инженеры тщательно балансируют моторы. В ход идут противовесы на коленвалах, двухмассовые маховики, продвинутые опоры двигателя, балансировочные валы… Но главное — изначально выбрать удачную конструкцию мотора.
В основном двигатель вибрирует от инерции поршней, совершающих возвратно-поступательные движения. Вспомните, как кивают головой пассажиры при резких разгонах и торможениях — примерно так же ведут себя поршни в конце каждого рабочего такта. В одних двигателях силы инерции и моменты от них взаимно компенсируются, в других остаются свободными, вызывая вибрацию.
Как видно из таблицы, в рядной «четвёрке» остаётся свободной сила инерции второго порядка — не столь неприятная, как первого порядка, но тоже чувствительная. Характерная дрожь мотора в определённых режимах работы — её «заслуга». В оппозитной «четвёрке» эта сила скомпенсирована, но остаётся свободный момент от неё, стремящийся повернуть двигатель вокруг вертикальной оси. Хотя его воздействие почти незаметно для водителя.
У двигателя V6 свободных моментов множество, поэтому в нём приходится применять балансировочные валы. Кстати, трёх- и пятицилиндровые рядные моторы идентичны V6 в уравновешенности, несмотря на нечётное количество цилиндров.
Худшие с точки зрения разгула свободных сил и вибраций — одно- и двухцилиндровые моторы, а также детища Volkswagen: двигатели VR5 и VR6. А лучшие, самые уравновешенные двигатели — рядные и оппозитные «шестёрки». Ну и роскошный V12, конечно.
Какой двигатель лучше
Сравнение двигателей — непростая задача, ведь у каждого автомобилиста свои требования и критерии выбора. Одним важнее надёжность и простота обслуживания, другим нужна максимальная мощность, а третьи смотрят прежде всего на расход топлива. Идеальный мотор должен совмещать все эти преимущества — быть простым и надёжным, мощным и экономичным. Но чаще всего инженерам приходится идти на компромиссы. Хороший пример сложности прямого сравнения моторов — международный конкурс «Двигатель года» (Engine of the Year), лауреаты которого являются произведением инженерного искусства, но не всегда отвечают запросам реальных автомобилистов.
Удачным получится двигатель, или не очень, определяет множество факторов: общая продуманность конструкции и степень форсировки (количество лошадиных сил на рабочий объём), применённые технические решения и экологические рамки. Но при прочих равных можно сделать общие выводы по компоновке мотора. Так, рядная «четвёрка» — базовый и самый простой двигатель большинства автомобилей, который должен быть экономичным и недорогим (конечно, бывают и исключения). Трёхцилиндровый «рядник» — бюджетный вариант для малолитражек, но он не так плох, как многие считают. V6 — агрегат более сложный и дорогой в обслуживании, хотя малофорсированные «вэшки» вполне могут быть «рабочими лошадками». V8 — показатель премиума и единственная возможность разместить сразу 8 цилиндров под капотом современного автомобиля. Рядная «шестёрка» — самая сбалансированная, простая и заслуженно любимая многими компоновка, которая встречается всё реже и реже. «Боксёры» B4 и B6 — специфичные двигатели, которые, безусловно, имеют свои плюсы и армию фанатов. Ну а с автомобильной экзотикой вроде V4, VR5 или VR6 лучше иметь дело, пока она на гарантии…"
НЕОБЫЧНЫЕ МОТОРЫ
ЗВЕЗДООБРАЗНЫЕ
10-ти цилиндровый, двухрядный, с геометрической ССж (степенью расширения газов на такте РХ) 17-18.
Геометрическая степень сжатия( степень расширения газов на такте РХ) у этого мотора составляет 17-18. Это позволяет более эффективно использовать энергию сгоревшего топлива. Реальная степень сжатия обычно определяется углами открытия-закрытия впускных клапанов и количеством попавшего в цилиндр воздуха. Реальная степень сжатия у этого мотора находится в пределах 9-12 и несколько зависит от частоты вращения коленвала (распредвалов).
Реальная ССж в этом моторе регулируется выпускными клапанами, впускные клапана работают как и обычно.В начале такта сжатия выпускные клапана(клапан) находятся в приоткрытом положении и выпускают часть воздуха при начале движения поршня вверх.
Для этого на распредвале достаточно дополнительно выточить более пологий кулачок который дополнительно приоткрывает выпускные клапана(клапан) на непродолжительное время в начале такта сжатия.
Сразу же исчезают всякие проблемы с воспламенением ТВС-применяется обычное искровое зажигание. Наддув может не применяться, наполнение цилиндра воздухом максимально полное-избыток воздуха в начале такта сжатия выпускается из цилиндра.
Почему двухрядный?-можно отказаться от балансира на валу. Получается что как бы два отдельных мотора связаны одним валом, но со сдвигом на 180 гр. Один мотор является балансиром для другого.
В случае с 10-цилиндровым мотором получается что 2-й ряд цилиндров размещается между цилиндрами первого ряда. Возрастает весовое совершенство мотора. Рабочий ход через 72 градуса, мотор является полностью сбалансированным.
Гибридная силовая установка:
Мотор устанавливается вертикально, цилиндры располагаются горизонтально (нет верхних и нижних), при объёме цилиндра всего 200 куб.см общий объём двигателя составит 2,0 литра.
В более привычном варианте сверху на вал мотора устанавливается электродвигатель-генератор постоянного тока на напряжение 48 В. Снизу на валу двигателя устанавливается 3-х фазный генератор переменного тока. Привод полный, на каждое колесо свой электродвигатель.
В более изощрённом виде привод гидравлический.
4 АКБ 6СТ-90 устанавливаются в теплоизолированном отсеке в багажнике авто. Суммарная ёмкость АКБ около 4,5 кВт*ч.
Примерно так может быть…или не быть…
P.S. Более простым является 6-ти цилиндровый двухрядный мотор, по 3 цилиндра в каждом ряду или однорядный 6-ти цилиндровый-рабочий ход через 120 градусов.
РЯДНЫЕ и V-ОБРАЗНЫЕ ДВС с (4+2)-тактным циклом работы.
Название (4+2)-тактный цикл применяется для того чтобы не возникала путаница с другими 6-ти тактными циклами других авторов.
Сразу же некоторые пояснения на примере (4+2)-тактного мотора R6 для того чтобы изначально снять вопросы и они не возникали по ходу прочтения статьи.
Цикл работы-первые 4 такта соответствуют работе обычного 4-х тактного мотора, после такта выпуска газов добавляются ещё 2 такта на впуск и выпуск воздуха для дополнительной продувки цилиндра и охлаждения стенок цилиндра, поршня, клапанов. Этот демпферный цикл охлаждения позволяет ориентировочно в 2 раза увеличить удельную мощность на такте РХ без перегрева деталей ПГ, всё упирается лишь в механическую прочность деталей ПГ, тепловой режим работы не становится более напряжённым. Таким образом цилиндр за 6 тактов выдаёт ту же мощность что и 4-х тактном моторе за 8 тактов. В итоге удельная мощность мотора увеличивается ориентировочно в 1,33 раза при нормальном тепловом режиме работы двигателя.
Для мотора R6 всегда происходит такт РХ в одном из цилиндров, такт выпуска отработанных газов и такт выпуска разогретого чистого воздуха из цилиндра работающего на 6-м такте.
Конструктивно мотор R6 это растянутый R4 с кривошипами коленвала расположенными под углом 180 гр. относительно друг друга, как и на 4-х тактном рядном моторе. Рабочий ход через 180 градусов.
Для устранения вибраций и уравновешивания инерционных сил 2-го порядка в моторе R6 желательно установить два балансирных вала.
Без решения вопросов по диаграмме фаз газораспределения это было бы невозможно и только после решения этой основной задачи стало возможным двигаться далее. В итоге получилось что максимально эффективными, сбалансированными, надёжными на данный момент времени являются дизельные дефорсированные моторы со степенью сжатия около 20 и ресурсом не менее 600 тыс.км. Конструктивно это R6, R8, R9, V8, V12.
МОТОРЫ V8, R8, R9
Как ни странно это звучит, но современные тенденции уменьшения количества цилиндров не идут двигателю на пользу.Идеальным по сбалансированности является 9-цилиндровый (4+2)-тактный рядный двигатель. Он сочетает в себе все преимущества рядной шестёрки и нового цикла работы.При объёме одного цилиндра 200 куб.см общий объём двигателя будет составлять 1,8 литра, при 250 куб.см уже 2,25 литра.Можно и 8 цилиндровый (4+2)-тактный рядный двигатель сделать, он также полностью уравновешен (рабочий ход через 135 гр.), он будет чуть короче, но коленвал немного сложнее в изготовлении. Уменьшается ширина шатунных и коренных шеек(мотор полностью сбалансированный), уменьшаются и размеры всех деталей поршневой группы.Длина двигателя конечно несколько возрастёт, однако по надёжности он будет вне конкуренции и ничего лишнего в нём вообще нет.Такой рядный мотор разрушает все нынешние стереотипы, но лишь развивает несколько теорию ДВС, ни коим образом ей не противоречит. Очень интересно бы было попробовать (4+2)-тактный мотор V8 собрать-шейки коленвала с углами в 45 гр. между ними, угол развала блоков цилиндров 90 гр., рабочий ход через 135 градусов получается. Длина двигателя уменьшается, он становится существенно меньше R6 соответствующего объёма, уменьшается и высота мотора. Проверить насколько он сбалансирован при работе, стандартные 4-х тактные моторы V8 с кривошипами располагающимися в 2-х плоскостях полностью уравновешиваются двумя противовесами на щеках крайних цилиндров.
В случае с (4+2)-тактным двигателем кривошипы расположены уже в 4-х плоскостях что делает двигатель ещё более уравновешенным, но это теория-всё проверяется практикой.Двигатель V8 можно сделать и с кривошипами с углами 90 гр. между ними, угол развала блоков цилиндров составит тогда 45 гр. или 135 гр. (ближе к оппозитному), коленвал станет чуть проще в изготовлении, варианты как бы есть, я более склоняюсь к первому варианту V8. В развале блоков можно будет разместить камеру дожига СН и СО.
Все эти относительно простые и не очень решения вкупе способны привести к получению на выходе классического мотора с уникальными характеристиками и большим ресурсом.
Психологически 9-ти цилиндровый двигатель представляется очень длинным, но это не совсем так, всё познаётся в сравнении. При одном объёме в сравнении с обычным рядным 4-х тактным 6-ти цилиндровым мотором у него 9 цилиндров меньшего диаметра. К этому надо прибавить примерно 150 мм на эл.двигатель-генератор.Т.е. размеры двигателей вполне сопоставимы, навесного оборудования на двигателе будет минимум-нет турбины, эл.генератора, помпа с электроприводом устанавливается в любое удобное место.
Ш-ОБРАЗНЫЕ (W-образные)
Все преимущества (4+2)-тактного мотора R9 по его сбалансированности и рабочему ходу через каждые 120 градусов можно реализовать на Ш-образном моторе. Это достаточно просто, но так сказать весьма экстравагантно в мире моторостроения. Ш-образный мотор имеет 3 блока цилиндров-центральный и расположенные слева, справа от него под углом 60 градусов. Для 6-ти цилиндрового двигателя коленвал с кривошипами через 60 градусов и рабочий ход через 180 гр.
Такие 6-ти (3 пары диаметрально расположенных кривошипов, каждая пара на свой блок цилиндров) и 12-ти цилиндровые( 3 креста, каждый на свой блок цилиндров) моторы являются полностью уравновешенными и более компактными. Для 9-ти цилиндрового (4+2)-тактного мотора образуются 3 тройки кривошипов с углами их сдвига в 40 градусов (в каждой тройке сдвиг 120 градусов, каждая из троек работает на свой блок цилиндров).В этом случае угол развала блоков цилиндров(считая от центрального) у Ш-образного мотора может составлять 40 или 80 градусов(во втором случае расположение ближе к оппозитному). Такие моторы можно устанавливать и продольно, и поперечно.
ГИБРИДНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА.
1.Эл.двигатель-генератор.
Более простым и надёжным является решение когда коленвал выходит несколько за пределы корпуса двигателя и на него одевается съёмный ротор эл.двигателя-генератора. При этом отсутствуют муфты, вал может иметь шестигранную(звездообразную) форму для удобства посадки на него ротора. Ротор эл.двигателя-генератора должен иметь больший диаметр для увеличения момента инерции и крутящего момента при работе в режиме стартера. Увеличенный момент инерции позволит использовать эл.двигатель-генератор в качестве маховика. Мощность эл.Д-Г рассчитывается под конкретную машину, мотор, используемое электрооборудование. Емкость АКБ на 48 В примерно 4,5 кВт*ч ( 4 АКБ 6СТ-90)
Ссылка на мою статью в DRIVE2: https://www.drive2.ru/l/677351940341891307/
