Каждый из нас слышал слова "4-цилиндровый", "V8" или "рядная шестёрка". Но мало кто задумывался, что именно за ними стоит.
А между тем компоновка двигателя определяет не только мощность машины, но и её характер, звук и поведение на дороге.
Рядные двигатели
В любом двигателе внутреннего сгорания есть цилиндры, внутри которых сгорает смесь воздуха и топлива. Именно эта энергия приводит автомобиль в движение.
Двигатель по сути насос, чья задача прокачать максимальное количество топливно-воздушной смеси. Чем больше смеси прокачает мотор, тем выше мощность. При этом мощность зависит и от размера цилиндров, и от их количества: при прочих равных побеждает тот мотор, в котором цилиндров больше, а сами они крупнее.
В рядном двигателе все цилиндры выстроены в одну прямую линию, как правило поперечно. Таких моторов несколько вариантов: 2-, 4-, 6- и даже 8-цилиндровые, хотя последние встречаются редко.
Обозначение I4 означает рядный 4-цилиндровый двигатель, I6 - рядную шестёрку. Иногда вместо буквы I используют R от немецкого Reihenmotor, и тогда R6 означает рядный 6-цилиндровый мотор.
Рядные двигатели механически очень эффективны. У них один коленвал, приводящий все поршни в движение, чаще всего одна головка блока цилиндров, от одного до двух распределительных валов и меньше движущихся деталей по сравнению с другими компоновками.
Рядная шестёрка считается одним из самых сбалансированных моторов: ей не нужны балансировочные валы, и она практически лишена вибраций. Конструкция надёжна, а при поломке такой двигатель удобно ремонтировать.
Цилиндры в рядном двигателе могут располагаться не только поперечно, но и продольно. Продольная компоновка широко применяется, например, у BMW.
Рядные моторы занимают под капотом слишком много места. Разместить большое количество цилиндров при такой конфигурации проблематично, а длинный коленчатый вал испытывает повышенные нагрузки и торсионные вибрации, которые разрушают двигатель. Именно это и подтолкнуло инженеров к другим решениям.
V-образный двигатель
В V-образном двигателе цилиндры разделены на два блока, расположенных под углом от 60 до 90 градусов друг к другу и приводимых в движение общим коленчатым валом. Если смотреть на такой мотор спереди, цилиндры образуют латинскую букву V, в основании которой находится коленвал.
Такая компоновка сэкономила пространство под капотом: V-образные моторы хоть и шире рядных, но заметно короче. Мощность при этом выросла, так как цилиндров стало больше.
Крутящий момент смещён в зону средних и высоких оборотов, что даёт мощную и непрерывную тягу. Плотный подхват делает V-образные моторы отличным решением для тяжёлых автомобилей, внедорожников и спорткаров.
Порядок работы цилиндров V8 создаёт глубокий и неравномерный ритм выхлопа - звук, ставший частью американской автомобильной культуры.
У любого V-образного двигателя есть пара головок блока цилиндров и единый сложный газораспределительный механизм. Это усложняет ремонт и повышает его стоимость.
VR-образные и W-образные двигатели
VR-двигатели стали попыткой взять лучшее от рядных и V-образных моторов. Эту конструкцию разработал Volkswagen. Принцип работы тот же, что у V-образного, но угол между рядами цилиндров составляет всего 10-15 градусов вместо 60-90 у обычных V-образных моторов. Цилиндры при этом умещаются в одном блоке и располагаются в шахматном порядке относительно друг друга.
Производительность такого мотора сопоставима с V-образным, но по размерам он лишь немного превосходит рядные. У него одна головка блока цилиндров и всего два распредвала. Самый распространённый вариант - VR6, хотя встречаются VR4 и VR5.
W-образный двигатель состоит из двух VR-моторов, соединённых под углом у оснований. Три или четыре ряда цилиндров на одном коленвалу образуют букву W.
Такая конструкция позволяет разместить 12 или даже 16 цилиндров в относительно компактном корпусе, но эти моторы сложны, тяжелы и дороги и в производстве, и в обслуживании.
Оппозитный двигатель
В оппозитном двигателе, который также называют боксером или плоским, цилиндры расположены горизонтально друг напротив друга с развалом в 180 градусов. Название "боксер" он получил потому, что работа цилиндров напоминает двух боксёров, одновременно наносящих удары: когда один поршень движется наружу, другой идёт внутрь.
Встречное движение поршней гасит вибрации без дополнительных балансировочных механизмов. Мотор стоит низко над землёй, что улучшает устойчивость и управляемость автомобиля.
Крутящий момент у оппозитных двигателей выше, чем у рядных моторов того же объёма. Горизонтальное расположение облегчает охлаждение, и когда-то такие двигатели охлаждались воздухом.
К недостаткам относятся большая ширина мотора, особенности систем охлаждения и смазки, а также затруднённый доступ к свечам зажигания.
U-образные и H-образные двигатели
У U-образных движков 2 ряда цилиндров, оба стоят вертикально. Каждый трудится на свой коленвал, а значит коленвалов два, и вращаются они в противоположные стороны. Плюс две головки блока цилиндров.
Каждый вал создаёт гироскопический эффект, направленный в сторону, противоположную другому, и они компенсируют друг друга. Такие моторы устанавливали на мотоциклы, например Suzuki RG500.
H-образный движок похож на U-образный, но цилиндры стоят в 4 ряда в форме буквы H, и на каждые 2 ряда приходится отдельный коленвал. Можно сказать это 2 оппозитных мотора, соединённых вместе.
H-мотор легче сбалансировать, так как два вала вращаются в разные стороны и убирают практически все вибрации. Главное его отличие - полное отсутствие гироскопического эффекта. Но центр тяжести у него выше, чем у оппозитного, а обслуживать цилиндры значительно труднее.
Роторный двигатель
Роторный двигатель, или двигатель Ванкеля, работает по совершенно иному принципу. В нём нет привычных поршней, шатунов, цилиндров и клапанов. Вместо этого в камере вращается ротор в форме треугольника Рёло - геометрической фигуры, ширина которой остаётся одинаковой при любом положении.
Именно поэтому ротор постоянно касается стенок камеры всеми тремя вершинами, создавая три замкнутых пространства.
Камера, внутри которой работает ротор, имеет форму эпитрохоиды. При вращении грани ротора отсекают три изолированные полости, в каждой из которых последовательно проходят все 4 такта.
В классическом двигателе Ванкеля три главные движущиеся детали: два ротора и один эксцентриковый вал. Клапанов, пружин, распределительных валов и ремней ГРМ нет вовсе.
Слабое место этой конструкции - герметичность. На вершинах ротора стоят уплотнители - апекс-сальники, которые при высоких нагрузках и температурах изнашиваются быстрее, чем детали обычного поршневого мотора.
Роторные двигатели дополнительно известны высоким расходом масла и топлива: масло здесь частично сгорает вместе с рабочей смесью, и это не поломка, а особенность конструкции.
Экологические нормы со временем начали давить на такие моторы всё сильнее. Mazda RX-8 сняли с производства именно из-за проблем с выбросами и расходом топлива.
Сегодня роторные двигатели практически исчезли из массового автопрома. Но ротор остаётся символом нестандартной инженерной мысли - двигателем, который пошёл совершенно другим путём. Не самым практичным и не самым надёжным, но точно одним из самых необычных в истории автомобилестроения.