Двигуни внутрішнього згоряння

Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний.

10.10.2015

Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний.

Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний.
Історія двигуна будови формувалась спонтанно і хаотично. Перші двигуни були значні за розміром і робочого об’єму. При цьому двигуни були найпростішими за своєю конструкцією. Зустрічалися 1 циліндрові двигуни об’ємом близько 8 літрів. Тут багато причин, по перше технології, по-друге, низький ККД, зрештою відсутність елементарного досвіду і знань.

На сьогоднішній день навіть у сучасних двигунів ККД становить близько 20 %, що мізерно мало. Тобто лише близько 2 літрів бензину з 10 залитого в бак витрачатися на створення обертового робочого моменту на валу двигуна, решта просто вилітає в трубу, переходить у теплову енергію, трансформується в детонації, витрачатися на сили тертя та інерції і т. д. Тим не менш вже сформувалася загальна думка ефективного двигуна внутрішнього згоряння. При цьому поршні двигуна і відповідно робочі камери мають досить обмежені розміри. Вся справа в тому, що компактні механізми володіють меншими силами інерції, менше схильні детонациям, але про це далі. Зараз перш за все хотілося сказати, що співвідношення циліндрів до загального обсягу двигуна ставляться з співвідношенням 1 циліндр на 170-900 см кубічних однієї робочої камери. Занадто маленькі поршні мають обмеження за своїм конструктивним характеристикам, так як навіть при високої компресії близько 14-16 атмосфер (бензиновий двигун) мініатюрність обмежує і передачу зусиль на шатун від поршня. При дуже значних розмірах поршнів неможливо добитися точної збалансованості механізму і, відповідно, отримати високі обороти частоти обертання двигуна, вірніше сказати це дуже складно і високотехнологічно.

Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний.

Рис. 1 Так прикладом малолітражних автомобілів з маленькими циліндрами є: рядна «четвірка» у Subaru R1 — 658 см?. трициліндровий Smart — 799 см?. трициліндровий Matiz — 796 см?. чотирициліндровий Matiz— 995 см?. чотирициліндровий Hyundai i10 і Kia Picanto — 1086 см?. Варіант З, фактично альтернатива одному великому поршня, при цьому двигун виходить більш компактним (така конструкція двигуна застосована на автомобілі «Ока»)

Найбільш поширеними з рядних двигунів на сьогоднішній момент є чотирициліндрові двигуни. Їх обсяг віріруется, як правило в межах від 1 літра до 2,4 літрів. Багато в ефективності двигунів залежить від подачі паливно-повітряної суміші, але це тема іншої статті. Несиметрична конструкція двигуна щодо колінчастого вала вносить свої корективи. Так колінчастий вал виконаний з компенсуючими відливами. Фактично вони гасять інерційні сили від поступального руху поршнів при обертанні колінчастого валу (добре видно на малюнку 7)

Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний.

Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний.

Рис. 3 Приклад коли двоциліндровий двигун при реалізації турбонаддува досягає такої високої потужності Fiat 500 двигун 0,9 л – 85 к. с. і найпростіші і дешеві двоциліндрові представники російська Ока і індійська Tata Nano

Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний.

Рис. 4 Рядний п’ятициліндровий двигун від Mercedes Benz

Мотори з шістьма циліндрами в ряд також не популярні. Справа навіть не в тому, що вони споживають багато бензину, проблема рядних двигунів це їх розміри. Такі двигуни добре вписуються у фюзеляж літака а в капот машини вже не кожній. При установки багатоциліндрових двигунів доводиться викручуватись щоб мотор і КПП вмістилися в одному моторному відсіку. Так Austin Maxi 2200 випускався в Англії в середині 60-х років мав коробку передач розміщену під двигуном. Автомобіль Volvo S80 з шістьма циліндрами в ряд має дуже компактну коробкою передач (Рис.5 ). Яке ж рішення, якщо потрібно підвищення потужності, за умови, що двигун повинен мати більш компактні форми. Відповідь проста половина циліндрів симетрично переноситися оппозитно – один навпроти одного. Тобто кут між циліндрами складає 180 градусів. Звідси і назва опозитні двигуни.

Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний.

Рис. 5 Рядні багатоциліндрові двигуни на Austin Maxi 2200 і Volvo S80

Опозитний двигун

Опозитні двигуни маркуються літерою B. Що означає Boxer-аналогія переміщення рук від суперника до суперника на боксерському рингу. Так наприклад B2 означає двоциліндровий двигун, B4 чотирициліндровий і т. д. Плюси оппозитников очевидні вони коротше рядних двигунів в два рази. Це як два рядних двигуна, один навпроти іншого передає свій крутний момент на один колінчастий вал. (рис. 6)

Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний.

Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний.

Рис. 6 Двоциліндровий опозитний, добре знайомий в радянському союзі мотор мотоцикла Урал і французький Citroen 2CV

Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний.

Рис. 7 Чотирициліндровий опозитний мотор

Ще одним важливим плюсом оппозитников є відносна врівноваженість. Фактично всі елементи симетричні, що значно зменшує вібрації. Крім того, конструктивною особливістю є жорсткий блок, з центральним кріпленням валу, що також позитивно позначається на гасінні вібрацій.

Варто зауважити що двоциліндровий опозитний мотор не урівноважений щодо виникнення вібрацій, в слідстві того, що переміщення двох циліндрів один до одного або один від одного намагаються створює крутний момент для колінчастого вала у вертикальній осі. Точка центру обертання крутного моменту знаходиться між кріпленнями шатунів на колінчастому валу. Варто додати ще два циліндра які будуть працювати в протифазі першим та ми компенсуємо цей недолік опозитного мотора.

З плюсами оппозитников ми розібралися, але ж не буває все так добре. Так дійсно, «опозитники» фактично вимагають дві головки, роздвоєну систему харчування, більш складну конструкцію і технологію виготовлення блоку (рис 8)

Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний.

Рис. 8 Опозитний двигун від Porsche має дві однакові головки клапанів. При цьому привід розподільних валів – ланцюгова передачі є спереду і ззаду, для розподільчого валу однієї і другої головки.

V образний двигун

Фактично V-подібні двигуни це приватний випадок оппозитников, коли рядні двигуни встановлені не один навпроти іншого під 180 градусів, а з кутом наприклад 60 або 90 градусів. Тут виникає бажання зменшити кут між циліндрами до такого щоб мінімізувати габарити двигуна. Так наприклад випускалися автомобілі Lancia Fulvia в 70-х роках минулого століття мали V-образний двигун з кутом розвалу блоку 23° (Рис. 8).

Так у чому ж проблема? Справа не в тому, що це неможливо розмістити конструктивно поршні так близько одне до одного. Справа в тому, що ми отримуємо дуже неврівноважену систему. Переміщення поршнів і їх інерційні сили не будуть урівноважуватися, а навіть навпаки будуть складатися. Знову виходить складна конструкція колінчастого вала з значними противагами. Чим менше кут, тим складніше приборкати інерційну силу поршнів.

Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний.

Рис. 8 Lancia Fulvia з кутом розвалу блоку мотора між циліндрами в 23 градуси

Крім противаг можуть застосовуватися компенсаційні вали. Фактично такі вали обертаючись створюють силу зворотну силу вібрації. Так наприклад подібні вали застосовувалися компаніями Audi, VW, Seat, Ford, Fiat (Рис. 9)

Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний.

Рис. 9 Двигун з чотирма циліндрами в ряд і компенсаційними валами. Компенсаційні вали наводяться ланцюговою передачею від колінчастого вала. В деяких випадку вали наводяться двома незалежними ланцюговими передачами від колінчастого валу.

Приватні випадки V-образного двигуна

Сьогодні питання потужності і компактності перед конструкторами провідних авто виробників стоїть на першому місці. У зв’язку з цим з’явилися W-подібні двигуни з мінімальним кутом розвалу циліндрів – 15 градусів. Початок цієї революційної серійної конструцкии мотора поклав WV Golf VR6 третього покоління.

Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний.

Саме позначення двигуна VR говорить сама за себе. V подібний з мінімальним кутом розвалу таким, що можна додати літеру R рядний. Ще такі двигуни називають зміщене рядними. Далі більше, мотористи компанії Volkswagen взяли два двигуна VR і розташували під кутом один до іншого (кут склав 72 градуси).

Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний.

Так серійно випускалися двигуни W8, якими був обладнаний Passat. 12 циліндровий W образник стояв на VW Roadster 1998 року Складність виготовлення таких моторів колосальна. Починаючи від конструювання і розрахунків і закінчуючи технологіями у виробництві, що в підсумку позначається на їх ціні і серії виробництва.

Зведена інформація по детонациям в різних видах двигунів

Тепер після того як ми пробіглися по всі конструкціям двигунів трохи сухої статистики підтверджує нашу теорію. у таблиці нижче наведена інформація про присутніх у двигунах внутрішнього згоряння силах і про їх врівноваженості при роботі. Так зелені клітини вказують на врівноваженість або відсутність детонацій. Червоні на проблемні сили проявляються при тій чи іншій конструкції двигуна.

Таблиця.1 Показники різних проявляються вібрацій в двигунах внутрішнього згоряння (Для перегляду таблиці у збільшеному розмірі натисніть на її зображення)

* Поршні в протифазі.

** Врівноважуються противагами на колінчастому валу.

тобто згідно таблиці максимально врівноважені мотори рядний шестициліндровий, восьмициліндровий і шестициліндровий опозитний. На жаль такі компонування зовсім не дешеві і як правило застосовуються вже в автомобілях бізнес класу.

Короткий опис статті: двигуни внутрішнього згоряння Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний. Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний.

Джерело: Двигуни внутрішнього згоряння. Рядний. Опозитний. V-подібний.

Також ви можете прочитати