Что нужно знать об автомобилях с V-образными двигателями
Современному двигателю внутреннего сгорания более 100 лет, и за этот период разработали очень много новых видов двигателей. Конструкция двигателей значительно улучшилась, и вместе с этим мы получили повышенную эффективность и мощность. Одним из самых известных и любимых решений для укладки нескольких цилиндров остается V-образный двигатель. Автомобили с V-образным двигателем завоевали сердца и умы многих людей на протяжении десятилетий, особенно автомобили с двигателями V10 и V12. Автомобили, оснащенные таким типом двигателя, известны тем, что обеспечивают плавную и надежную передачу мощности, и он остается популярным выбором во многих популярных автомобилях по всей территории США. В статье мы рассмотрим преимущества и недостатки V-образного двигателя, и то, как на самом деле работает этот тип двигателя.
Как работает V-образный двигатель? Конструктивные особенности
Понимание структуры этого двигателя является ключом к ответу на основной вопрос: как работает V-образный двигатель?
V-образные двигатели размещают свои поршни в форме буквы «V», отсюда и название. Такие двигатели обычно размещают поршни в диапазоне от 60 до 90 градусов. V-образная ориентация двигателя обычно представлена в формате V4, хотя двигатели V2 можно найти и у мотоциклов. Нечетные номера также приветствуются, наиболее распространенным из них является двигатель V5.
V-образные двигатели обожают за их низкий крутящий момент и плавность хода, а двигатель V12 не только обеспечивает хорошие показатели мощности, но и обеспечивает идеальный баланс. В то время как поршни в V-образном двигателе обычно располагаются между 60 и 90 градусами, некоторые двигатели, такие как Ferrari V12, используют угол наклона 180 градусов, в то время как двигатель Volkswagen VR6 использует всего 10 градусов и одну головку блока цилиндров для обоих рядов поршней.
В автомобиле с V-образным двигателем два цилиндра из противоположных рядов обычно имеют общую шатунную шейку, но шарнирные шатуны и отдельные шатуны также использовались. Возможно, самым важным преимуществом V-образных двигателей является их компактность по сравнению с рядными двигателями и приятный звук, который они издают — вы когда-нибудь слышали спортивный автомобиль V10 на полном ходу?
Преимущества и недостатки V-образного двигателя
Как и у любого другого двигателя, у V-образного двигателя есть свои плюсы и минусы. Хотя такие двигатели, как V8, доказали свою надежность, следует учитывать некоторые негативные факторы:
Плюсы и минусы
+ Распространенность V-образных двигателей;
+ V-образные двигатели более компактны, чем рядные двигатели;
+ Плавная подача мощности;
+ Хорошая выходная мощность.
— Сложное производство двигателей;
— Проблемы с балансировкой;
— V-образные двигатели дороже;
— Не экономичная компоновка двигателя;
— Дорогостоящее техническое обслуживание.
Популярные компоновки V-образных двигателей
Двигатель V6
Является наиболее распространенной компоновкой двигателя для шестицилиндровых двигателей. Из-за своей короткой длины двигатели V6 являются хорошей модернизацией для небольших моторных отсеков, где обычно устанавливаются рядные двигатели с четырьмя рядами. К сожалению, двигатели V6 не так сбалансированы, как их рядные шестицилиндровые аналоги, и, следовательно, не так плавны в эксплуатации.
Двигатель V8
Один из самых известных и любимых компоновок двигателей всех времен. Двигатель V8 оснащен четырьмя цилиндрами на каждом блоке и был впервые выпущен в 1904 году для использования в авиации.
В большинстве двигателей V8 используется угол наклона 90 градусов и поперечный коленчатый вал. Двигатель V8 используется как в автомобильной промышленности, самолетах, так и на лодках благодаря своей высокой производительности и надежности.
Двигатель V10
Гораздо менее распространенная конфигурация, первая дорожная версия появилась в 1991 году на Dodge Viper. Из-за неравномерного количества цилиндров с обеих сторон двигатель V10 не имеет идеального баланса и, следовательно, требует балансировочных валов для снижения вибрации.
Двигатель V12
Занимает особое место в сердцах автомобильных энтузиастов по всему миру и пользуются большим успехом в лодочной и локомотивной промышленности. Двигатели V12 ценятся за их сбалансированность и плавность хода. Для идеальной балансировки четырехтактных двигателей V12 требуется угол наклона 60 градусов. В любой момент времени три цилиндра находятся в рабочем такте, что исключает любые паузы в импульсах мощности двигателя.
«Линейка двигателей представлена рядным 4-цилиндровым агрегатом объёмом 2,5 л и 3,5-литровым V6», — гласит рекламный проспект какой-нибудь Toyota Camry. А чем отличаются эти моторы, кроме количества «кубиков» и лошадиных сил? Почему в «Безумном Максе» молились богу V8, и что особенного в «оппозитниках» Subaru? Просто о сложном: разбираем на пальцах особенности автомобильных двигателей.
Компоновка. Продольно или поперечно
Прежде чем говорить о конструкции двигателей, нужно упомянуть о компоновке автомобиля — ведь именно она во многом определяет, какой мотор будет установлен под капотом. Хотя не всегда под капотом: существуют автомобили (в основном спортивные) со средне- и заднемоторной компоновкой, но у большинства гражданских машин двигатель всё-таки находится впереди. О них и поговорим.
Продольное расположение двигателя
Мотор может располагаться в машине продольно или поперечно. Первую схему называют классической, она характерна для автомобилей с задними приводом (или полным, но на основе заднего). Продольная схема почти не накладывает ограничений на размеры силовой установки, как и трансмиссии — коробка передач может быть огромной, с большим запасом прочности, и заканчиваться хоть в центре машины. Такая компоновка характерна для больших автомобилей с мощными двигателями и КПП: грузовиков, внедорожников, премиальных седанов. Хотя раньше так были устроены почти все машины — взять ту же классическую линейку «Жигулей». Но с массовым внедрением переднего привода понадобилась иная, более компактная компоновка.
Поперечное расположение двигателя
Для переднего привода необходимо устанавливать двигатель не продольно, а поперечно — вместе с коробкой передач он должен разместиться под капотом между лонжеронами. Ограниченное пространство требует компактности как от трансмиссии, так и от самого мотора, поэтому далеко не все силовые установки подходят для поперечной схемы. Такая компоновка характерна как для переднеприводных машин, так и для полноприводных, система 4WD которых имеет переднеприводные корни — а это почти все современные кроссоверы.
Разобравшись в особенностях компоновок, можно переходить к самим двигателям.
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…
На чтение 6 мин Просмотров 1.3к. Опубликовано
Современный мир представить без частных автомобилей просто невозможно. Машины могут быть роскошью, увлечением, возможностью получать адреналин и даже «кормильцем» семьи. Собственно, сердцем любого автомобиля остается мотор, одним из самых популярных видов которого считается распространенный V двигатель. Он работает по тому же принципу, что и любой другой ДВС, но отличается расположением цилиндров, благодаря которому V-образный двигатель и получил свое название.
Содержание
- Где используют V-образные двигатели
- Виды и модификации V-двигателя
- Преимущества V-образных двигателей
- Основные минусы V-двигателей
- Развитие V-образных двигателей
Где используют V-образные двигатели
Если говорить откровенно, то популярность такого движка обусловлена тем, что он может использоваться буквально в любой сфере и устанавливаться на любое транспортное средство. Так, V-двигатели можно встретить в областях производства автомобилей, постройки кораблей и самолетов. Многие «V» сегодня ставят на мощные модели мотоциклов.
В общем, все зависит только от того, какие именно мощности требуются и для каких целей. Но, в большинстве случаев, V-движки идеально подходят для обеспечения выполнения поставленных задач.
Немаловажным остается и то, какое количество цилиндров в двигателе и как они расположены, ведь от этого зависит сила вибрации при работе, плавность и сбалансированность.
Виды и модификации V-двигателя
Чаще всего классификация автомобильных двигателей происходит исходя из порядка работы. Когда мы говорим о V-двигателях, порядок оказывается совершенно не важным, так как разделение на типы и классы идет исключительно по количеству цилиндров в движке и особенностях их расположения относительно друг друга.
Наиболее распространенными считаются движки, которые имеют угол расположения цилиндров в сорок пять и девяносто градусов. Также популярен и шестидесяти градусный угол. Чаще всего их можно встретить в серийных автомобилях и мотоциклах.
Основная классификация V-образных моторов в современном автопроизводстве выглядит следующим образом – бюджетные и серийные автомобили среднего класса используют V2 и V6. Среди производителей спортивных машин чаще всего можно встретить обычный или турбированный V8. Также существуют «V» 3, 4, 5, 10, 12, 14, 16, 18, 20 и 24.
Двух- и четырехцилиндровые движки используются исключительно в мотоциклах. Впрочем, особо мощные спортивные мотоциклы могут быть оснащены и более сильным V-двигателем, вплоть до шестицилиндрового. Для мотоциклов такие моторы обладают просто невероятной мощностью, позволяя развивать очень большую скорость.
В обычных серийных автомобилях вы скорее всего найдете под капотом шести- или восьмицилиндровую «V». Но, когда мы говорим о моделях со спортивными характеристиками, работает то же правило, что и для мотоциклов – многие ставят более мощные и сильные двигатели. Так, в премиумных спорткарах используются движки вплоть до мощнейшего V 12, а дорогие авто бизнес-класса с функцией «sport» могут быть оснащены десяткой. Однако, установка более сильного мотора является очень сложной задачей, так как для обеспечения его корректной работы требуется переработка практически всех базовых систем машины.
Далее стоит взглянуть на «высшую лигу» — самолеты и корабли. Здесь действительно настоящий рай для «V». Используется большой диапазон мощностей – от четырех цилиндров до двадцати четырех. По сути, в кораблестроении и авиации можно встретить буквально любой из классов подобного двигателя – пятерки, восьмерки, десятки, с двенадцатью и восемнадцатью цилиндрами – все это активно эксплуатируется в данных сферах. Это обусловлено тем, что в этих отраслях нужны, как очень мощные двигатели, так и достаточно слабые, для выполнения каких-то определенных задач. Например, если посмотреть на современный корабль, то быстро становится понятно, что ряд его жизненно важных систем не требует большой мощности, но вот надежность, который славятся V-двигатели, всегда в цене.
Преимущества V-образных двигателей
Каждый конструктор в наше время может выделять какие-то определенные преимущество V-движков, в зависимости от тех задач, которые перед ними ставятся. Однако, если смотреть со стороны, то все моторы обладают рядом общих плюсов, которые просто нельзя не заметить, сравнивая с более простым и старым R-мотором. Таким образом, среди главных преимуществ двигателя с цилиндрами, расположенными под угловым наклоном, можно выделить сразу несколько.
Мощность и компактность. По сути, V-двигатель изначально разрабатывался как раз для достижения больших мощностей, при сохранении удобного и относительно небольшого размера. Стоит отметить, что и с первой, и со второй задачей, конструкторы сумели справиться. Более того, во многом новые двигатели в свое время даже превзошли ожидания инженеров.
Так, главной проблемой R-образного движка всегда было направление сил на вал. При перпендикулярной направленности, увеличение крутящего момента в каждой новой модификации требовало невероятных усилий и денежных затрат. С изобретением «V» эта проблема ушла сама собой, так как теперь на вал силы начали действовать с двух сторон не перпендикулярно, а по касательной. Таким образом, ускорение вала стало достаточным благодаря силе инерции. В то же время, предыдущие поколения ДВС считаются наиболее проблемными именно из-за отсутствия возможности увеличения максимального крутящего момента.
Кроме прочего, V-двигатели оказались очень компактным решением, при достижении такой большой мощности. Размеры, как высота, так и длина, значительно меньше, чем у других устаревших моделей двигателей внутреннего сгорания.
Из важных преимуществ стоит выделить жесткий коленвал, позволяющий увеличить срок эксплуатации двигателя и прочность всей его конструкции. Немаловажным остается и то, что конструкторы сумели значительно увеличить диапазон рабочих частот – теперь движок быстро набирает обороты и даже на пределе своих возможностей остается максимально стабильным.
Основные минусы V-двигателей
Как показывает практика, даже при самых впечатляющих преимуществах, любые моторы имеют и свои неоспоримые минусы. К сожалению, V-двигатели не являются исключением.
Первое, и самое важное, что мешает использовать «V» буквально везде – сложность их конструкции. Это отражается на стоимости, а значит, далеко не каждый автомобиль ниже премиум-класса может оснащаться таким двигателем.
Более того, немаловажным остается и вторая проблема – большая ширина мотора. Он буквально в полтора раза больше, чем R-модели.
Однако главная проблема – сильная вибрация. Двигатель действительно очень сильно вибрирует и требует просто колоссальных сил и знаний для тонкой сбалансированности работы. Именно поэтому встретить самые мощные V 12 можно только на очень дорогих автомобилях спорт-класса. Проблема частично решается утяжелением некоторых частей конструкции, но это идет в разрез с главным принципом современных спорткаров, при создании которых инженеры борются буквально за облегчение каждого болтика.
Развитие V-образных двигателей
Большинство специалистов уверены, что в будущем наиболее распространенными моторами во всех моделях и классах машин станут именно V-двигатели. Конечно, недостатки у них есть, но уже сегодня все они постепенно нивелируются за счет новых разработок автопроизводителей.
Более того, их конструкция значительно более удобна для различных модификаций – любой V-движок, который эксплуатируется в наше время, еще не до конца доработан, в плане использования всего потенциала. То есть, с 1905 года, когда первые был приобретен патент на такой вид мотора, до сегодняшнего дня, когда автомобилестроение достигло небывалых высот, у V-образного двигателя все еще впереди. В ближайших планах переработка конструкции и снижение стоимости, чтобы была возможность оснащать даже бюджетные серийные авто популярных производителей.
V-образным называется двигатель внутреннего сгорания, цилиндры которого размещены напротив друг друга наподобие латинской буквы «V». В зависимости от количества цилиндров, такие двигатели могут быть четырех, пяти, шести, восьми, десяти и двенадцатицилиндровыми. Также подобные силовые установки различаются в зависимости от угла наклона цилиндров.
Первые V-образные двигатели эволюционировали от четырехцилиндровых рядных моторов. В начале ХХ века, когда автомобили в основном оснащались трех и четырехцилиндровыми силовыми установками, наибольшей проблемой таких моторов был их вес и размер, а также – несбалансированность, что приводило к возникновению вибраций, которые передавались на кузов и делали поездки малоприятными.
В 1905 году в Соединенных Штатах была запатентована новая технология производства двигателей – с V-образным расположением цилиндров. У такого мотора было четыре цилиндра, которые размещались друг напротив друга под определенным углом. По сути, это был тот же рядный четырехцилиндровый двигатель, который распилили пополам и получившиеся половинки объединили в один агрегат в форме латинской буквы «V». Таким образом, конструкторам удалось нивелировать два недостатка рядных двигателей – вес и размер, так как V-образный мотор занимал меньше места под капотом в длину и меньше весил. Вместе с тем, в габаритном отношении у этого агрегата был свой недостаток — ширина: в длину он меньше рядного, а вот в ширину – больше. Однако, стараясь уменьшить именно длину подкапотного пространства, инженеры начали разрабатывать и совершенствовать V-образные моторы, делая их компактнее и сбалансированнее.
Немаловажное значение в конструкции таких силовых установок имеет угол, под которым цилиндры размещают друг напротив друга. История подобных двигателей знает немало агрегатов, где угол развала цилиндров составлял от 1 до 180 градусов. В результате многочисленных испытаний конструкторы выяснили, что наиболее приемлемым вариантом размещения цилиндров являются углы в 45°, 60° и 90°. Большинство современных V-образных моторов как раз имеют такие значения углов расположения цилиндров. Компактность расположения мотора позволила конструкторам увеличить объем цилиндров, так что подобные силовые установки редко имеют объем менее 3 литров.
Несмотря на явные конструктивные преимущества подобных моторов, они, тем не менее, имеют и свои недостатки. Речь – о несбалансированной конструкции некоторых V-образных двигателей, например, шестицилиндровых. Для того, чтобы сбалансировать такой двигатель, приходится устанавливать дополнительные противовесы на коленвал, что, соответственно, увеличивает массу агрегата. Более сбалансированными двигателями из этой категории считаются восьми-, десяти- и двенадцатицилиндровые моторы. Последние, кстати, имеют практически и идеальную балансировку в силу того, что представляют собой, по сути, два рядных шестицилиндровых мотора, объединенных в одну композицию. А, как известно, именно шестицилиндровый рядный агрегат имеет самую уравновешенную конструкцию и наименее подвержен инерциями первого и второго порядка.
После прочтения нашего обзора вы будете понимать, как работают восемь типов двигателей в мире.
Двигатель – это агрегат, который может преобразовать одну энергию в механическую. В эту категорию входит множество видов двигателей, начиная от паровых (двигатели внешнего сгорания) и электрических и заканчивая двигателями внутреннего сгорания (бензиновые, дизельные моторы и т. д.). Мы покажем вам восемь самых известных в мире двигателей, а также просто и интуитивно понятно расскажем вам, как они работают, описав принципы их работы.
1. Оппозитный двигатель
В горизонтально противоположном двигателе (оппозитном) поршни двигаются по обеим сторонам коленчатого вала влево и вправо в горизонтальном направлении. В этом случае высота двигателя уменьшена. За счет использования оппозитного двигателя уменьшается центр тяжести транспортного средства – автомобиль движется более плавно. Крутящий момент, создаваемый поршнями с обеих сторон, компенсирует друг друга, значительно уменьшая вибрацию транспортного средства во время движения.
Также подобная конструкция позволяет сделать двигатели высокооборотистыми. Но, несмотря на высокие обороты, оппозитные моторы имеют меньше шума, чем обычные ДВС.
Двигатели с горизонтальным ходом поршней использует компания Porsche почти во всех моделях. Но, например, в Porsche Cayenne и Panamera оппозитные двигатели не применяются.
2. Рядный двигатель
В рядном двигателе все его цилиндры расположены рядом друг с другом в одной плоскости. Конструкция цилиндров и коленвала довольно-таки проста. Головка блока цилиндров имеет небольшую стоимость при изготовлении. Также рядные двигатели отличаются высокой стабильностью, характеристиками крутящего момента на низких оборотах, низким расходом топлива и компактным размером. Рядные двигатели обычно обозначаются латинской буквой «L-n», где n – количество цилиндров рядного двигателя. Современные автомобили в основном имеют двигатели с обозначением L3, L4, L5, L6.
3. Двигатель V-типа (V-образный силовой агрегат)
V-образный двигатель разделяет все цилиндры на две группы друг напротив друга под определенным углом. В итоге мотор образует плоскость под углом. Если посмотреть на этот тип двигателя со стороны, то он будет иметь V-образную форму. V-образные двигатели имеют небольшую высоту и длину. Этот тип моторов удобнее размещать в автомобиле по сравнению с обычными рядными моторами, которые по своим размерам гораздо больше.
В настоящее время во многих автомобилях среднего и люкс-класса используются V-образные двигатели. Чаще всего это 6-цилиндровые силовые агрегаты. Например, такие двигатели стоят на Volkswagen Passat, Audi A6 и Mercedes E-класса AMG.
4. Квазитурбинный двигатель
Квазидвигатель представляет собой модифицированный двигатель, основанный на роторном силовом агрегате. Если в обычном роторном двигателе задействованы три лопасти, то квазидвигатель использует цепной ротор, состоящий из четырех частей. Это беспоршневой роторный мотор с ромбовидным ротором. Преимущество двигателя: это новый тип двигателя небольшого размера, с высокой мощностью, высоким крутящим моментом, который может работать на множестве источников энергии.
В настоящий момент квазидвигатель не используется ни на одном автомобиле, поэтому невозможно проверить, подходит ли он для замены обычных поршневых двигателей внутреннего сгорания или в качестве лучшей альтернативы обычным роторным моторам. Квазидвигатель все еще находится в стадии создания прототипа.
5. Роторный двигатель
Внутреннее пространство корпуса роторного двигателя всегда разделено на три рабочие камеры. Во время движения ротора объем трех рабочих камер постоянно изменяется. Двигатель также имеет четыре такта: впуск, сжатие, сгорание и выпуск последовательно завершаются в циклоидальном цилиндре.
Роторный двигатель сильно отличается от обычных поршневых двигателей внутреннего сгорания. Себестоимость производства роторных моторов существенно больше, также как и их последующее обслуживание и ремонт. Кроме того поршневой двигатель по сравнению с роторным эффективней с точки зрения мощности, веса, выбросов и энергопотребления.
В сочетании с этим, а также в связи со странности технологий роторного двигателя, крупные автомобильные компании пришли к выводу, что использование роторных силовых агрегатов в автопромышленности бессмысленно. Так как роторные моторы не показали своих преимуществ перед обычными, у автомобильных компаний не появилось энтузиазма по их дальнейшей разработке. Только компания Mazda до сих пор тратит огромные деньги на разработку новых поколений роторных моторов.
6. Двигатель Green Steam
Green Steam – эффективный, экономичный и простой двигатель, разработанный изобретателем Робертом Грином из Лагуна Вудс, Калифорния, США. Этот мотор преобразует избыточное тепло в водяной пар, который и приводит в движение силовой агрегат. Легкий и компактный двигатель Green Steam преобразует возвратно-поступательное движение во вращательное. Его основной характеристикой является гибкий вал, который передает возвратно-поступательное движение от поршней к кривошипу «Z», таким образом, совершая вращательное движение, не используя запястья, шатуны или коленчатые валы.
Этот мотор может использоваться для воздушных насосов, генераторов, водяных насосов, воздуходувок горячего воздуха, аппаратов дистилляции воды, тепловых насосов, кондиционеров, модельных самолетов и т. д.
Одним из наиболее уникальных преимуществ двигателя является его способность генерировать энергию из тепла двигателей. По существу, отработанное тепло выхлопных газов от двигателя транспортного средства может быть преобразовано в энергию, используемую для некоторых систем охлаждения и насосов транспортного средства. Этот двигатель повысит уровень эффективности любого транспортного средства или системы машины, на которой он установлен.
7. Двигатель Стирлинга
Двигатель Стирлинга относится к типам силовых агрегатов внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменении давления. Принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянном сжатии рабочего цилиндра, в результате чего происходит нагревание его внутренней части, а затем охлаждение. Из-за перепада давления из цилиндра извлекается энергия, образуемая при изменении давления. Обычно в качестве рабочего тела используется водород или гелий. Но чаще в таких моторах используется воздух.
Двигатели Стирлинга отлично подходят для преобразования тепла в электроэнергию. Например, многие специалисты считают, что эти моторы подходят для солнечных электрических установок.
То есть это идеальные силовые агрегаты для преобразования солнечной энергии в электричество.
8. Радиальный двигатель (звездообразный)
Звездообразный двигатель представляет собой поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором цилиндры расположены вокруг коленчатого вала. Один поршень соединен с коленвалом через главный шатун. Остальные поршни прикреплены через шатуны к кольцам главного ведущего шатуна.
Двигатель преимущественно создан для использования в самолетах. До появления реактивных двигателей в большинстве поршневых авиационных двигателей использовались подобные звездообразные конструкции силовых агрегатов. Эти моторы, как правило, устанавливались на самолеты небольшой дальности. Остальные самолетные моторы имели V-образную форму.
Некоторые современные легкие самолеты до сих пор оснащаются радиальными моторами.
Ряд компаний продолжает строить радиальные системы сегодня. Например, вот современный авиационный радиальный 9-цилиндровый двигатель Веденеев мощностью 360–450 л. с., который в настоящий момент используется на самолетах Яковлева и Сухого.