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.

 

Рис. 1 Так прикладом малолітражних автомобілів з маленькими циліндрами є: рядна «четвірка» у Subaru R1 – 658 см3. трициліндровий Smart – 799 см3 , трициліндровий Matiz – 796 см3 , чотирициліндровий Matiz – 995 см3. , чотирициліндровий Hyundai i10 і Kia Picanto – 1086 см3. Автомобілі з двигунами де зустрічаються циліндр гіганти: V-подібна «вісімка» купе Chevrolet Corvette Z06 – 7011 см3, рядна «шістка» Nissan Patrol TB48DE – 4758 см3.

Двигун рядний

Найменування двигуна говорить сама за себе. У такому двигуні всі поршні в головці циліндрів розташовані рядно – в один ряд. Такі двигуни найбільш прості по своїй конструкції і технології виробництва деталей до них. Подібні двигуни ремонтопридатні в приватних майстернях. Це що говориться класика.
Позначення двигунів починається з літери R. Так R2 означає що в двигуні 2 циліндра в ряд, R3 три циліндра в ряд і так далі. Якщо щодо розташування циліндрів все зрозуміло, то їх базування на колінчастому валу може бути різним. Дивіться на малюнок нижче 2

 

Рис. 2 Приклад А: трициліндровий рядний двигун з кутом між кривошипами 120 градусів, Рівномірне за часом запалювання суміші за один період (оборот колінчастого валу) реалізовано в конструкції двигуна за схемою – двотактних цикл роботи (кути між кривошипами 180 градусів). 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)

 

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

 

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.

 

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

Двигун опозитний

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)

 

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

 

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 колінчатого вал в вертикальної 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)

 

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 в 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 із значними противагами. Чим менше кут, тим складніше приборкати інерційну силу поршнів.

 

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)

 

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 вала.

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.

 

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).

 

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.

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

 

* Поршні в протифазі.
** Врівноважуються противагами на колінчастому валі.
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.