Типы поршневых ДВС по взаимному расположению цилиндров

Ни для кого не секрет, что сердцем любого автомобиля является двигатель - он многое определяет в конструкции аппарата (ведь ДВС - самый тяжелый агрегат автомобиля!), как-то особенно ассоциируется с брендом производителя, к выбору силовой установки относятся с большим вниманием и ответственностью, наконец, двигатель - это то, что с каждым годом все больше совершенствуется и модернизируется.

Первый по-настоящему удачный бензиновый ДВС создан немецким изобретателем Готлибом Даймлером при сотрудничестве с Вильгельмом Майбахом в 1883 году (патент N 28022). Это был четырехтактный одиноцилиндровый агрегат, с диаметром поршня 70 мм, и его ходом 120 мм, рабочий объём 462 см3, мощность 0,8 кВт (1,1 л.с.) при 700 об/мин. "Мобиль" Даймлера, построенный в 1885 году, развивал с этим мотором "потрясающую" максимальную скорость - 16 км/ч.

Но с течением времени этой мощности и этой скорости становилось мало, требовались более сильные движки, первоначально - для грузовых автомобилей и автобусов, чуть позднее - для спортивных аппаратов. Самым логичным решением на тот момент показалось увеличение рабочего объема, т.е. увеличение диаметра поршня/цилиндра и его хода. Однако бесконечным такое движение быть не могло - увеличение хода поршня вело за собой неизбежное увеличение длины шатуна, что требовало увеличения его прочности на излом, а это означало, что увеличивалась и его толщина. В сумме это давало увеличение веса поршня, шатуна, а так же площадь контакта стенок поршня со стенками цилиндра, т.е. увеличение трения, что сводило на нет результат такого "форсирования" двигателя. И это - всего лишь незначительная часть возникших проблем. Хотя... известны примеры одноцилиндровых двигателей объемом под 2,5 литра!!! Ужас, правда?

Вопрос требовал иного решения, и оно было найдено!

Рядные ПДВС (Поршневые Двигатели Внутреннего Сгорания)

Действительно, логично! Почему бы вместо одного цилиндра не использовать несколько, с несколькими шатунами, объединенными с одним коленчатым валом? Естественно, первыми появились двухцилиндровые двигатели, за ними - четырехцилиндровые. Стараясь вытащить наибольшее количество "кобыл", конструктора на заре автомобилестроения создавали просто гигантские моторы. Например, на автомобили "Руссо-Балт" С24/30 устанавливался четырехцилиндровый рядный двигатель объемом 4501 см. куб., мощностью 30 л.с., то есть удельная мощность составляла всего 6,67 л.с. на литр объема - показатель, на сегодняшний день, просто смешной.

Сегодня рядные двигатели бывают двух-, трех-, четырех-, пяти- и шестицилиндровые, но в истории известны примеры и восьмицилиндровых рядных моторов - на автомобилях ГАЗ-М1 (тогда, в 1935 году, Горьковцы не смогли освоить выпуск V-образного восьмицилиндрового Ford-BB). Недостатки такого мотора налицо - большая длина, что приводит к увеличению базы автомобиля и худшему балансу по осям. Кстати, трех- и пятицилиндровые двигатели не так уж и уступают в мощности своим четырех- и шестицилиндровым братьям. Причина - намного меньшее трение, а ведь казалось бы - отрезали всего один цилиндр!

В настоящее время у каждого производителя есть в линейке хотя бы один рядный двигатель, причины - простота производства, малые габариты и вес, высокая ремонтопригодность.

Минусы так же очевидны - ограничение по длине, а, следовательно, ограничение по количеству цилиндров, и, результат - жесткое ограничение по мощности. Кроме того - увеличение числа цилиндров вызывает удлинение коленчатого вала (и увеличение его веса!!!), что означает, кроме новых потерь на трение, увеличение момента инерции. А еще- малая сбалансированность мотора.

Сегодня с рядных двигателей вытаскивают до 70-80 л.с. с литра объема, и это с серийных атмосферных, а со спортивных и турбинированных - еще больше. Кстати, самые быстрые японские автомобили сегодня оснащаются рядными шестерками.

V-образные ПДВС

Уже в конце XIX века конструктора отчетливо понимали, что ряд цилиндров - временное решение. А что говорить о мотоциклах, где, в целях упрощения трансмиссии, двигатель располагался не продольно, а поперечно? На мотоцикле, как и на автомобиле -мотора много не бывает.

И сразу - исторический курьез. Сам V-образный двигатель изобрел и запатентовал в 1889 году Вильгельм Майбах, работая все у того же Г. Даймлера. То есть изобретатель - немец! Но такая компоновка мотора называется "американской".

И тому есть причина: европейские мотоциклы были меньшей длины, чем американские - способствовал стиль езды (в Европе - прямо, в США - вольготно развалившись и вытянув ноги). И меняться консервативное европейское общество отказывалось наотрез. В то же время с США были самые большие доходы на душу населения и самые большие непокоренные территории, т.е. была и необходимость и возможность производить более дорогие и более мощные двигателя. Немногим позже, когда в 1911 году заводская команда "Indian" совершила налет на остров Мэн, где проводилась гонка "Турист Трофи". Американцы на V2 устроили "1-цилиндровым" европейцам полный разгром, заняв первые три места, а потом заглянули на трек "Бруклэндз", где установили целую серию рекордов, европейцы взялись за голову, и тоже обратили свое внимание на V-образники.

V-образный двигатель, имеющий возможность прижиться на автомобиле, появился чуть раньше тех памятных гонок. В начале века и авиация и автомобилестроение развивалось одновременно и параллельно, нередко подбрасывая друг другу дельные идеи, так получилось и в 1905 году, когда французский изобретатель Л. Левавассер построил V-образный двигатель водяного охлаждения "Антуанет", нашедший широкое применение не только в авиации, но и в автомобилестроении.

Вполне естественно, что первые V-образники использовались на грузовиках и автобусах, т.е. там, где большая мощь просто жизненно необходима. Ну и, конечно, на танках, когда они, наконец появились.

Ставить такие моторы на легковые автомобили долгое время считалось безумием и баловством, но, все же, потребитель взял верх над рынком. Одними из первых в освоении V-образников стал Генри Ройс. Ну и, конечно, Генри Форд - куда без него? Именно с его подачи в СССР и была предпринята одна из первых попыток создания V-образного двигателя - в 1933 году по договору от 1929 года с заводом ГАЗ Форд передал на изучение автомобиль Ford-V8-40 с двигателем V8 Ford-BB, послуживший прототипом ГАЗ-М1. Передать-то передал, а вот технологию оставил при себе. ГАЗовцы долго бились, стараясь освоить выпуск V8, но, в результате остановились на рядной восьмерке.

Вообще, кроме достоинств у V-образного ПДВС есть и свои недостатки - куда без них? В частности, на той же длине коленчатого вала находится в два раза больше поршней, а, значит шатунов, т.е. шатуны необходимо делать тоньше, чем на рядных двигателях. Еще одна проблема - система впрыска топливо-воздушной смеси - большой угол развала блоков цилиндров (порядка 45-90 градусов) вызывает необходимость использования на каждом блоке свою головку, свои топливные и воздушные шланги, а здесь уже видится проблема равномерной подачи ТВС. И это не все! Еще есть проблемы большой трудоемкости производства и ремонта двигателя.

Но малая длина при такой же мощности и большая сбалансированность мотора сделало V-образную компоновку одной из самых востребованных. К сожалению, в России такие моторы ставятся, большей частью, только на грузовики, автобусы и танки - производители легковых автомобилей освоить их масштабное серийное производство не смогли или не захотели (об этом история умалчивает).

И, все же, справедливости ради, стоит отметить успешные отечественные V-образники. Например - ГАЗ-13 "Чайка", восьмицилиндровый V-образный бензиновый двигатель объемом 3500 см. куб., мощностью 190 л.с. при 4200 об/мин, а так же ЗИЛовские 114 (V8, объем 6960 см.куб., мощность 300 л.с. при 4400 об/мин) и 117 (V8, 7680 см. куб., 315 л.с.). Хотя, все это - моторы едва ли не единичной сборки для советских "членовозов", а для них, как для детей, шло только лучшее. Что касается двигателя ГАЗ-13, то его ставили даже на БТРы. Чем не характеристика? Из "гражданских" разработок можно вспомнить опытный шестицилиндровый ГАЗ-24-11, нашедший свое место, кстати, и в автоспорте.

Второе возвращение в Европу "американского" двигателя произошло в начале 1960х годов, уже в виде V8, по сути - самого распространенного и сбалансированного двигателя. Именно с появлением такого мотора и появилась возможность создания скоростных родстеров, с которых и началось завоевание рынка США европейскими спортивными автомобилями.

П-образные ПДВС

Вообще, П-образники (т.н. схема Цоллера) в массовом производстве не прижились, почему - об этом ниже. Изначально, как и V-образники, такие моторы применялись на мотоциклах. Первый, по-настоящему удачный опыт относится к 1933 году, когда немецкая фирма (опять немецкая!) DKW начала широко применять подобную компоновку на своих мотоциклах, в том числе - гоночных. Во второй половине 1930х годов это были самые мощные и быстрые мотоциклы в классах 250 и 350 см. куб. С 1934 по 1939 год - всего за пять лет - мотоциклы DKW завоевали 7 чемпионских титулов на чемпионатах Европы (а их конкурентами были BMW, NSU и Silver Arrow - фирмы очень и очень серьезные!), и взяли первое место в гонке "Tourist Trophy" 1938 года!!!

В Советском Союзе П-образниками так же оснащались исключительно мотоциклы - тот же "Иж". Кстати, едва ли не единственный пример использования двигателя с двухпоршневой схемой Цоллера на автомобилях - Советские рекордные автомобили "Звезда" конструкции А. Пельтцера - на "Звезде-1" 1946 года стоял двигатель DKW-ULD350 с водяным охлаждением и поршневым нагнетателем.

Что же представляет из себя П-образный двигатель? Два цилиндра объединены общей камерой сгорания. Поршень, ходящий в одном из цилиндров, управляет открытием и закрытием впускных окон. Поршень другого "командует" выпускными. Выпускной поршень соединен при помощи шатуна с коленчатым валом обычным способом; шатун перепускного поршня присоединяется к боковой проушине на нижней головке выпускного шатуна, т.е.
кинематика кривошипного механизма дает возможность при ходе поршней вверх сначала перекрыть выпускные окна, а чуть позже -- перепускные.

Преимущество такой схемы заключается в сдвиге фаз распределения выпускных и перепускных окон. В момент прохода поршнями н. м. т. перепускной поршень несколько отстает от выпускного и перепускные окна закрываются позднее выпускных, благодаря чему можно с успехом применить подачу горючей смеси под давлением от нагнетателя с минимальными потерями на выпуск.

По сути дела П-образный цилиндр представляет собой согнутый цилиндр двигателя с поршнями, двужущимися в противоположных направлениях.

Это в теории. На практике все гораздо сложнее. Во-первых, определенную проблему представляет устройство газораспределительного механизма. Во-вторых, низкая степень сжатия делает П-образники практически бесполезными без организации наддува, но, зато, для наддувных схем "цилиндр Цоллера" - едва ли не идеальное решение!

Крест в развитии П-образных ДВС поставила FIM, запретившая использование наддува в мотоциклетных соревнованиях. Для рядовых потребителей такая схема оказалась слишком дорогой, слишком сложной в эксплуатации, и, наконец, слишком "прожорливой".

Y-образные ПДВС

Эти моторы, как и V-образники, пришли из авиастроения, и на гражданских автомобилях особо не прижились. В принципе, Y-образные двигатели - частный случай весьма распространенного на заре авиастроения (да и после!) авиационного лучевого или звездообразного двигателя.

Если бы не рекордные заезды начала ХХ века, то, возможно, Y-образники так никогда и не встали бы на автомобиль. Но было время, когда безумно храбрые гонщики устанавливали на болиды, больше напоминающие обычные тележки, чудовищные 20-ти, или, даже 40-ка литровые 3-лучевые многорядные моторы, развивая на них свыше 300 км/ч!

Одним из немногих был автомобиль "White Triplex" с тремя авиационными Y-образными моторами, суммарный объем которых составлял 81,2 литра, а суммарная мощность - 1500 л.с. В 1928 году на этом чудовище Рэй Кич в 1928 году показал скорость в 334 км/ч!

Плюсы Y-образной компоновки очевидны - меньшая длина, большая виброустойчивость и сбалансированность.

Из минусов - большую высоту, сложность производства и эксплуатации (целых три головки блока цилиндров!!!), и очень большой нераспределенный вес.

В результате, минусы перевесили плюсы, и зведообразники остались в авиации. Впрочем, нашлось им применение на суше и не только - сегодня моторы такой компоновки с успехом применяются на тепловозах и на судах. В последнем случае это просто суперчудовищные моторы - три-семь лучей, и семь-двенадцать рядов.

Оппозитные ПДВС

Вообще, эти двигатели можно считать частным случаем V-обазников, у которых угол между цилиндрами составляет 180 градусов. Кстати, что в первую очередь приходит в голову, слыша слово "оппозитник"? Porsche? Subaru Impreza? Да, это автомобили, с оппозитными двигателями, но в России они появились задолго до них. Вспомним "ушастый" мотоцикл "Урал" - потому он и ушастый, что стоит на нем оппозитный двухцилиндровый двигатель с воздушным охлаждением!

Впервые, как и большая часть моторов, оппозитники были опробованы на мотоциклах. Сразу выявились плюсы Boxer'ов (так называют оппозитные ДВС в англоязычных странах) - относительная компактность (малая высота - да, но, при этом - большая ширина!), неплохая сбалансированность и вибронагруженность, и отличная приемистость. Еще один несомненный плюс - низкий центр тяжести транспортного средства с таким ДВС, что обусловлено его малой высотой. Подумать только! В 1960х-1970х годах конструкторы спортивных автомобилей "опрокидывали" рядники на бок для снижения центра масс, а здесь - готовое решение!!!

Кстати, именно во многом из-за этого (а еще из-за малой длины) оппозитники прижились на автомобилях Porsche. Первый опыт применения Boxer'ов на автомобилях, хотя и принадлежит тому же Фердинанду Порше (обратите внимание - снова немец!), но не на могучих спорткарах, а на "народном" немецком автомобиле - VW Beetle(небезызвестный Фолькваген Жук). На автомобилях Porsche и Subaru - значительно позднее.

И вот здесь самое время развеять многие мифы об оппозитниках, указав на их слабые стороны. Во-первых геометрия цилиндров подвержена любопытной особенности - когда сетка хона в порядке, цилиндр уже превращается в эллипс. Причина кроется в нераспределенности (а вернее, как раз в точечном распределении) нагрузок. Огромный расход масла - течи сальников и "потение" крышек - родовая особенность оппозитных движков.

Ремень ГРМ расположен так, что называется "локоть - вот он, да не укусишь", а при его обрыве клапана обязательно встречаются с поршнем или друг с другом - мотор в капиталку. А вентиляция картера позволят "быстро и эффективно" засорить двигатель, и, если рядники или V-образники в таких условиях продолжают худо-бедно работать, то оппозитники сразу начинают выдавливать сальники.

Подведя баланс между "дебетом" и "кредитом" производители однозначно, одновременно и независимо друг от друга пришли к выводу, что для гражданских автомобилей повседневного пользования оппозитные ДВС малопригодны, а вот для спортивных и раллийных автомобилей оппозитник - вариант почти идеальный, но, опять же, по одной причине - низкий центр тяжести, а, значит, лучшая управляемость.

VR-образные ПДВС

И у рядных, и у V-образных двигателей есть свои плюсы и минусы. А вот если бы их объединить - создать мотор, заключающий в себе положительные качества и рядных и V-образных агрегатов? Вопрос создания мотора, заключающего в себе отрицательные качества и того и другого, по понятным причинам, не ставился.

В начале 1980х годов немецкая (опять немцы!!!) фирма "Volkswagen" решилась на смелый эксперимент, результатом которого стал VR-образный двигатель. Кто-то скажет - безумие! Рядно-нерядный двигатель - такое бывает? Бывает! Двигатели VR6 имеют небольшой развал между рядами цилиндров - 15 градусов, что позволяет применять на них общую головку. Нет нужды говорить, что всех проблем это не решило, но, зато, получился компактный, мощный, приемистый двигатель.

Чуть позже появилась пятицилиндровая модификация этого двигателя - VR5. То есть, по сути, от VR6 попросту отрезали один цилиндр, скомпенсировав потерю рабочего объема (читай - мощности) значительным уменьшением силы трения.

И, все же, V-образно-рядные двигатели не стали идеальным решением. Да, они обладают меньшей длиной, чем рядные моторы, и меньшей шириной, чем V-образные. Да, более упрощена (по сравнению с V-образниками) система газораспределения.

Но появилась новая проблема - чрезвычайно высокая тепловая напряженность мотора! Ведь теплообмен в пространстве между рядами цилиндров менее интенсивен, чем у V-образных ДВС, а толщина стенок не позволяет увеличить число тосольных каналов! Кстати, по этой же чине - тонких стенок цилиндров с внутренней стороны, VR-образные моторы значительно хуже держат перегрузки.

W- образные ПДВС

Начиная разговор о W-образных двигателях, в первую очередь необходимо заметить, что есть W-образники, а есть W-образники. То есть этот термин, в разные времена, означал разные типы моторов!!!

В первую очередь - частный случай звездообразного трехлучевого мотора, у которого все три луча направлены вверх под разными углами. Такие авиационные моторы часто применялись на рекордных автомобилях 1920х-1930х годов. Наибольшее распространение получил авиационный "Непир-Лайон". Кстати, различные модификации именно таких моторов и ставились на рекордные "Синие Птицы" Малькольма Кэмпбелла, в атмосферном и наддувном исполнении.

В те далекие времена на автомобилях (тем более - мотоциклах!) эти моторы не прижились - не было необходимости в таких мощностях, для нормальных потребностей нормальных автомобилей вполне хватало V-образников.

Второе рождение W-образных моторов, уже в новой форме, относится к концу ХХ века. Вновь появилась потребность в мощных, относительно компактных моторах, для использования их на суперкарах. Ярчайшим примером такого двигателя и, соответственно, автомобиля, является W16 на Bugatti ЕВ16/4 Veyron.

Сегодняшние W-образники - это не трехлучевые авиационные моторы - нет. Это две цилиндро-поршневые группы от моторов VR-типа. Изначально угол между ними составлял 72 градуса, но проблема заключалась в том, что на коленчатом валу примерно той же длины в этом случае размещалось вдвое больше шатунов, чем в VR-двигателе. Поэтому их пришлось делать тоньше. Шатун подвергается в двигателе наибольшим нагрузкам сжимающего, растягивающего и изгибающего вида, и слишком тонкие шатуны на повышенных оборотах начинают "поигрывать".

В двигателе W16 колоссальной мощности в 1001 л.с. для спортивного Bugatti ЕВ16/4 Veyron влияние инерционных моментов на шатуны сократили, увеличив развал между двумя VR-rpyппaми до 90R и снизив скорость поршня до 17,2 м/с. Размеры двигателя при этом выросли, но все равно остались завидно малыми для агрегата с такими показателями: его длина 710, а ширина 767 мм.

Вообще, на сегодняшний день для мощных, быстрых, скоростных автомобилей W-образный двигатель был бы наиболее оптимальным решением, если бы не изобретение еще одного немца - Феликса Ванкеля.

Роторно-поршневой двигатель

Снова мотор, и снова немец - изобретатель. И, опять же, стоит заметить, что и этот двигатель - далеко не сегодняшнее изобретение - Феликс Ванкель запатентовал роторно-поршневой тип двигателя еще в 1934 году!!! А первый действующий образец, адаптированный к установке на автомобиль, появился еще в 1958 году!

Вообще же, РПД - не совсем традиционный поршневой двигатель. В его корпусе овальной формы движутся не поршни на шатунах, а треугольный, с выпуклыми сторонами ротор (он же - поршень). Он описывает внутри корпуса кривую, называемую эпитрохоидой, при этом его вершины, плотно прилегая к стенкам корпуса, образуют 3 отдельные камеры сгорания. В каждой из них последовательно происходит обычный 4-тактный цикл. Из-за отсутствия возвратно-поступательного движения такой мотор почти не вибрирует, а его рабочие обороты значительно выше, чем у поршневого ДВС.

Более подробно этот тип двигателя описан в статье "Поршень или ротор?".

Вообще, же тенденция пугающая. В первую очередь, проанализировав истоки каждого двигателя, оказывается, что изобрели, или начали первыми использовать какую-либо компоновку именно немцы - Готлиб Даймлер, Вильгельм Майбах, Фердинанд Порше, Феликс Ванкель, компании DKW и VW!!! Японцы со своим прославленным роторным Маздовским Renessis выглядят, скорее, исключением, подтверждающим правило. Опять же, не будем забывать, что одними из первых лицензии на производство "Ванкелей" приобрели тоже немцы - NSU и Mercedes-Benz! Если честно, начиная собирать информацию для этой статьи, сам не ожидал таких "откровений".

Но это - лирика. На деле ничего принципиально нового за последние полвека не придумано, и придумано (кажется!) быть не может - все типы поршневых двигателей опробованы, и, или уже живут под капотами автомобилей, или занимают место в музеях.

Поршневая схема, "отшлифованная" за добрую сотню лет, и нашедшая такое широкое применение едва ли является константой. Более полувека ведутся опыты по применению ГТД, электродвигателей и "Стирлинга" на автомобилях. Дальше опытов, правда, дело пока не доходит, но "завтра" - вообще звучит многообещающе. Но это с одной стороны.

Есть и обратная сторона медали. Не раз говорил, и повторюсь - более 80% процессов, протекающих в современном ДВС остаются неизученными и по сей день! Значит, старый добрый поршневой мотор не показал еще и одной пятой (как минимум!) своих возможностей, и отказываться от ПДВС еще рано.

А еще есть нагнетатели, выпускная и впусная система, газораспределительный механизм, и многое, многое другое, что позволяет многократно увеличить мощность мотора! Напомню - на заре автомобилестроения удельная мощность двигателя составляла около 6-7 л.с. с литра объема, сегодня - до ста, и это - безнаддувные, атмосферные двигатели!!!

Человечество за сорок тысяч лет своего существования и сегодня находится в начале пути научного прогресса (пусть и интенсифицирован этот процесс только последние 250-300 лет), а автомобилю - чуть более ста двадцати лет, но уже сегодня никого не удивишь "гражданскими" суперкарами (те же Bugatti, Lamborghini, Ferrari, Vector, Callaway, Pagani - лишь немногие из тех компаний-производителей!), развивающими по 350-400 км/ч. А что же скрывает за собой это таинственное "завтра"?