Основные компоновочные схемы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Одним из основных признаков, по которому классифицируют двигатели внутреннего сгорания (ДВС), является их компоновочная схема. Она определяет расположение мотора в подкапотном пространстве, его габаритные размеры и ориентацию осей ведущих элементов (цилиндров и поршней). Выбор общей компоновки агрегата зависит от характеристик, которые он должен обеспечить в процессе эксплуатации. На сегодняшний день используются пять базовых схем двигателей: рядные, V-образные, W-образные, оппозитные и VR-моторы. Каждая из схем имеет свои достоинства, недостатки и сферу применения.

Особенности конструкции рядного двигателя

Наиболее распространенным типом ДВС являются рядные конструкции. Они предполагают расположение цилиндров с поршнями в один ряд, что обеспечивает их воздействие на общий коленчатый вал. Основной сферой применения этого типа двигателей являются легковые автомобили, а также сельскохозяйственная и грузовая техника. В качестве топлива может использоваться как бензин, так и дизель. Количество цилиндров в таком моторе может достигать и двенадцати, но обычно это максимум шесть.

Рядный двигатель в разрезе

Преимуществами применения рядных компоновочных схем можно назвать следующие характеристики:

• простота конструкции;
• равномерный износ деталей;
• низкая стоимость;
• легкость в обслуживании;
• уравновешенность.

Недостатками рядных агрегатов являются:

• большие габаритные размеры, особенно для конструкций с большим числом цилиндров;
• большой вес двигателя;
• коленчатый вал может испытывать большие нагрузки из-за повышенной длины.

Что представляет собой V-образный двигатель?

С увеличением числа цилиндров в двигателе рядные конструкции стали менее удобными, а потому им на смену пришла V-образная компоновочная схема. Она предполагает установку цилиндров с поршнями попарно, друг напротив друга и под углом. Последний получил наименование угол развала и может варьироваться от 10° до 120° между осями. Количество цилиндров в таких агрегатах от шести до двенадцати, но это всегда четное число. Многие автопроизводители благодаря V-образной компоновочной схеме получили возможность экспериментировать с количеством цилиндров, увеличивая их число до двадцати четырех, но в серийном производстве таких автомобилей пока нет.

В зависимости от величины угла развала достигаются определенные характеристики двигателя. Так, например небольшой угол позволяет объединить в моторе достоинства и рядных, и V-образных моторов.

V-образный двигатель

Среди плюсов V-образных моторов можно отметить:

• компактность конструкции;
• более длительный срок эксплуатации двигателя;
• эффективная и динамичная работа на различных оборотах.

В числе недостатков:

• конструкция такого агрегата более сложна, поскольку имеет две головки блока цилиндров;
• высокая стоимость изготовления;
• большие вибрации при работе;
• сложности с балансировкой.

В чем отличия оппозитного двигателя?

Фактически оппозитный двигатель является частным случаем V-образного. Его принцип работы основан на том, что угол развала цилиндров в таком моторе составляет 180°. Иными словами, пары цилиндров с поршнями лежат в горизонтальной плоскости. Поскольку поршни при работе такого двигателя движутся навстречу друг другу, они получили название «боксеры». Количество цилиндров в оппозитных моторах может быть от двух до двенадцати, при этом наибольшую популярность приобрели схемы с четырьмя и шестью цилиндрами.

Оппозитный двигатель в разрезе

Преимуществами такой компоновки являются следующие характеристики:

• большая устойчивость автомобиля, достигаемая благодаря смещению центра тяжести;
• более длительный срок эксплуатации за счет увеличения жесткости цилиндров;
• максимальная безопасность – при столкновении такой двигатель уходит вниз, а не в салон;
• пониженный уровень вибрации и шума при работе мотора;
• снижение веса основных узлов.

Недостатками системы являются:

• большие затраты на обслуживание и ремонт;
• высокая стоимость изготовления двигателя;
• повышенный расход смазочных материалов.

Как работает W-образный двигатель?

Принципиальным отличием W-образного двигателя является расположение цилиндров с поршнями в три или четыре ряда, при этом они воздействуют на общий коленчатый вал. Угол развала составляет менее 90°. Некоторые модели W-образных двигателей предусматривают расположение цилиндров в шахматном порядке, и каждая секция имеет свою ГБЦ. Применяются такие компоновочные схемы не только в автомобильных моторах, но и в авиации.

Также как и V-образный двигатель, такой мотор может иметь до двенадцати цилиндров. Однако основным его преимуществом является еще более компактная конструкция. Главным недостатком W-образной схемы можно назвать необходимость изготовления коленчатого вала сложной формы, а также использование многоуровневой системы охлаждения, что существенно повышает стоимость производства мотора.

Устройство и достоинства VR-двигателя

Рядно-смещенная компоновка, или VR-двигатель, представляет собой комбинацию рядного и V-образного моторов. Угол развала в таком двигателе очень мал – 15°, а цилиндры с поршнями расположены в шахматном порядке. В отличие от классического V-образного двигателя, такая схема обеспечила максимальную компактность, которая позволила использовать общую головку блока цилиндров для обоих рядов.

Несмотря на такое преимущество, как компактность, основным недостатком этой конструкции стала высокая вибрационная нагрузка. Данный тип двигателя сегодня почти не применяется.

В последние годы компоновочные схемы поршневых двигателей практически не изменяются. Это обусловлено отсутствием необходимости увеличения числа цилиндров, поскольку рост мощности для большинства современных автомобилей обеспечивается, например, за счет турбонаддува. Однако повышение компактности и уменьшение массы по-прежнему остаются главной задачей при разработке новых конструкций и схем.

V образный двигатель

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.

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.

Двигатели v образного типа, описание появления и использования

История автомобиля может служить своеобразной демонстрацией пытливости и настойчивости человеческого ума. Казалось бы, изобрели в 1883 году Даймлер с Майбахом двигатель внутреннего сгорания (одноцилиндровый), так пользуйтесь люди. Нет же, сразу обнаружились недостатки – маломощный он, нужен посильней. И процесс пошел – моторы стали больше и сильнее, число цилиндров начало увеличиваться, появились новые варианты их компоновки, одной из которых явился V образный двигатель.

О ДВС и его типах

Двигатель внутреннего сгорания может быть с внешним образованием топливной смеси (бензиновый) и с внутренним смесеобразованием – дизельный. Все они являются четырехтактными, и это надо отметить как одно из свойств, которыми обладает такой двигатель. Первый двигатель был мощностью чуть больше одной лошадиной силы, что оказалось явно недостаточно для его практического использования. Он был одноцилиндровый, само собой напрашивалось решение увеличить число цилиндров для увеличения мощности.

А как только число цилиндров становится больше одного, возникает вопрос, об их расположении. Невзирая на то, бензиновый это или дизельный двигатель, возможны такие варианты:

• рядный, все цилиндры располагаются друг за другом на одной линии;
• V образный, в нем цилиндры находятся под острым углом (обычно шестьдесят или девяносто градусов) друг относительно друга;
• оппозитный, его можно считать частным случаем V образного. В нем цилиндры находятся под углом 180°. Такой двигатель чаще всего используют в конструкции мотоцикла;
• W образный, его можно рассматривать как комбинацию оппозитного и V образного, установленного поверх оппозитного, и работающих на один коленчатый вал;
• звездообразный, это своеобразная комбинация из нескольких V образных двигателей, в которой цилиндры располагаются под углом между собой по всей окружности и работают на один коленвал. Используется в основном в самолетостроении.

Некоторые из этих вариантов построения двигателей можно увидеть на приведенном ниже рисунке:

1- рядный; 2 – V образный; 3 – оппозитный; 4 – совмещенный V образный и рядный двигатель; 5 – W образный; 6 – совмещенный в W образной компоновке.

Для каждого из перечисленных вариантов свойственны свои достоинства и недостатки, но в настоящий момент более подробно будут рассмотрены V образные двигатели.

О конструкции V образного двигателя

Что собой представляет современный V образный двигатель, можно понять, посмотрев приведенное фото

Даже беглого взгляда достаточно для понимания, какое это сложное изделие. Тем не менее, его можно считать закономерным этапом в развитии, которое прошел двигатель, в первую очередь, имея ввиду его практическое использование для автомобиля и мотоцикла.

После того, как резервы роста мощности, заложенные в увеличении диаметра цилиндра, были исчерпаны, стало расти их число. Тогда мотор начали делать с использованием нескольких цилиндров. Проще всего их оказалось разместить в ряд друг за другом. Так появился рядный двигатель, как бензиновый, так и дизельный.

Казалось бы, все хорошо, наращивай число цилиндров и увеличивай отдаваемую мотором мощность. Но при этом растут его габариты, а если учесть, что основное применение было рассчитано на конструкцию автомобиля и мотоцикла, то большой двигатель туда не помещался. В ходе проведения всех таких работ было установлено, что для автомобиля оптимальным является рядный четырех- или шестициндровый силовой агрегат. Такие двигатели используются также в настоящее время, как самые простые в производстве.

Появление v образного двигателя

Борьба за компактность привела к тому, что родился V образный двигатель, в нем цилиндры размещены под углом. Такое расположение позволило решить как минимум две задачи:

1. уменьшить габариты мотора, правда, надо отметить, что уменьшение длины сопровождалось увеличением ширины;
2. увеличить число цилиндров в одном моторе.

Однако следствием такого технического решения стало усложнение конструкции силового агрегата. Если для рядного требуется один блок цилиндров и один газораспределительный механизм, то для V образных силовых агрегатов их число увеличивается как минимум вдвое. Это приводит к значительному усложнению производства.

Кроме уже отмеченных, есть и другие недостатки, присущие V образной компоновке, но они тем или иным способом решаются, и на сегодняшний день такой силовой агрегат является чрезвычайно распространенным в мире моторов. В то же время, кроме использования на легковом автомобиле у таких моторов есть и другие варианты применения, для примера можно остановиться на следующих:

V образный мотор на мотоцикле

Особого внимания заслуживает оппозитный двигатель как разновидность V образного. Такая его конструкция оказалась подходящей для мотоцикла, хотя некоторые производители применяют его в автомобилях.

Первоначально, в течение длительного времени для мотоцикла хватало одноцилиндрового мотора. Однако проблема роста мощности силового агрегата коснулась и мотоцикла, вследствие чего на нем появился V образный мотор (2-цилиндровый). Сейчас можно только отметить – в конструкции мотоцикла характерно использование большого числа самых разнообразных типов моторов. Но стоит учесть, в настоящее время для всех видов мотоцикла характерно увеличение числа цилиндров, что позволяет поднять общую, «литровую» мощность мотора.

При этом наблюдается все большее использование четырехтактных моторов для мотоцикла, двухтактные из-за своей низкой надежности и ограниченном ресурсе остаются только в мотогонках. А для многоцилиндровых двигателей в условиях ограниченного места, характерного для мотоцикла, наиболее приемлемым будет применение V образного мотора.

Конечно, у мотоцикла есть свои, присущие только ему особенности, но это не имеет отношения к его типу. А V образные многоцилиндровые, в том числе и оппозитные моторы, используемые при создании мотоцикла, не собираются уступать свое место другим.

V образный дизель

На сегодняшний день наибольшей популярностью в Европе пользуются автомобили, в которых применяется дизельный силовой агрегат. Обусловлено это его высокой экономичностью, а также отличными эксплуатационными показателями. Как пример можно привести дизельный двигатель TD6.

По своим техническим характеристикам он соответствует самым высоким требованиям, этот дизельный мотор имеет шесть, расположенных по V образной схеме, цилиндров, общий объем может составлять до 2,7 литров, он способен развивать мощность до двухсот семи л.с., обеспечивая крутящий момент до четырехсот сорока Нм. При этом его вес не превышает двухсот двух кг.

Не касаясь других его характеристик, используемых в конструкции технических решений, стоит просто отметить, что по экспертным оценкам подобный дизельный силовой агрегат является несомненным лидером в классе шестицилиндровых V образных дизелей.

Однако это не единственный пример применения подобной концепции в построении двигателей. В тех случаях, когда требуется повышенная мощность при достаточно компактных размерах, чаще всего находит применение аналогичный дизельный силовой агрегат. Вот пример из прошлого столетия – 12 цилиндровый четырехтактный дизельный двигатель, устанавливаемый на легендарных танках Т-34. Это не единственный случай – высокая мощность и относительная компактность делает V образный двигатель незаменимым при создании самых разных устройств – от автомобилей до танков.
» alt=»»>
За не такую уж и длительную историю развития ДВС, были разработаны разные его модификации, отличающиеся различным исполнением и сложностью. Тем не менее, несмотря на все имеющиеся трудности в производстве и недостатки конструкции, V образный двигатель в настоящее время является одним из самых массовых вариантов ДВС.