Количество и расположение цилиндров
Что касается количества и расположения цилиндров в легковых автомобилях, с годами развивались интересные технические тенденции, которым следуют большинство проектных групп. Конечно, есть исключения, о которых мы поговорим позже. Также мы обсудим вопрос о так называемом «сокращение»,
Вообще говоря, одноцилиндровые двигатели не используются и никогда не использовались для привода легковых автомобилей. На это есть несколько причин.
С одной стороны, увеличивая количество цилиндров, мы можем повысить производительность при постоянном рабочем объеме. Детали меньшего размера проще производить и они более надежны. Кроме того, охлаждение более эффективно, поскольку увеличение смещения равно увеличению размера в третьей степени, а увеличение площади охлаждения равно увеличению размера во второй степени. Кроме того, при большем количестве цилиндров вращение коленчатого вала становится более равномерным и без вибраций. Благодаря разному расположению цилиндров мы имеем больше возможностей для формирования внешних размеров, что увеличивает степень использования имеющегося объема.
Число цилиндров и основные размеры двигателя
Количество цилиндров оказывает существенное влияние на конечную конструкцию двигателя. В процессе планирования основные размеры можно определить путем расчета смещения.
Важно помнить, что делая основные допущения для расчетов, всегда следует учитывать, что они могут быть выполнены только при соблюдении определенных условий. Например, большого рабочего объема можно достичь только с помощью высокооборотного двигателя среднего давления.
Производительность и количество цилиндров
Количество цилиндров оказывает прямое влияние на два основных параметра двигателей внутреннего сгорания: рабочий объем и скорость вращения. При сохранении того же рабочего объема увеличение количества цилиндров позволяет увеличить число оборотов, если это не оказывает отрицательного влияния на перезарядку в цилиндре или на процесс сгорания.
Возникают вопросы: насколько увеличивается КПД с увеличением количества цилиндров и на какой срок можно увеличивать количество цилиндров?
Согласно современным знаниям, мощность двигателя увеличивается пропорционально кубическому корню из числа цилиндров при неизменном рабочем объеме, а диаметр цилиндров уменьшается обратно пропорционально.
Отсюда можно сделать вывод, что чем больше мы увеличиваем количество цилиндров, тем меньше дополнительной мощности мы сможем получить от двигателя. Свыше 10-12 цилиндров себестоимость производства возрастает настолько, что дальнейшее увеличение их количества становится невыгодным.
Точно так же четырехцилиндровые двигатели, используемые в легковых автомобилях, не достигают объема более 2–2,5 литров, поскольку увеличение размеров поршней слишком сильно увеличивает дисбаланс масс на более высоких оборотах, что приводит к необходимости значительного снижения скорости.
По геометрии четырехцилиндровые двигатели далеки от идеальных конструкций, гораздо ближе к ним шестицилиндровые версии. Их массовый баланс не требует корректировки, они характеризуются исключительно равномерной и регулярной работой. Однако в целом они так и не нашли широкого применения, поскольку себестоимость их производства значительно выше – не менее 50%. Это связано с необходимостью более сложной конструкции коленчатого вала, а также с обеспечением одноосности для большего числа подшипников.
Некоторые производители (Volvo, Volkswagen, Mercedes, Audi и др.) нашли компромиссные решения, внедрив пятицилиндровые двигатели (до сих пор присутствующие в некоторых моделях), которые не такие плавные, как шестицилиндровые, и не такие дешевые, как четырехцилиндровые, но у них также есть свои преимущества.
Расположение цилиндров
В первые десятилетия автомобилестроения на дороге появились двигатели совершенно поразительных размеров и количества цилиндров: были доступны 16- и 18-цилиндровые моторы, а затем в середине 20-го века эти монстры были вытеснены моделями с гораздо более разумное количество цилиндров – ни в одном из них у него не было более 8.
Несмотря на явление сокращения размеров, спортивные и роскошные автомобили по-прежнему используют 8-, 10- и 12-цилиндровые двигатели, а некоторые производители (Bugatti) даже вернули 16-цилиндровые двигатели.
С другой стороны, к настоящему времени разработано множество решений, касающихся системы цилиндров, наиболее важные из которых представлены ниже:
Расположение рядов
Самая популярная и старая форма аранжировки. Самой популярной формой по-прежнему остается рядный четырехцилиндровый вариант, хотя трехцилиндровые версии набирают популярность из-за уже упомянутого уменьшения габаритов. Пятицилиндровые двигатели также используют это решение. Рядные восьмицилиндровые двигатели также предпочитались для гоночных автомобилей Гран-при, но со временем они исчезли с рынка, поскольку длинный коленчатый вал был слишком восприимчив к крутильной вибрации из-за повышенных оборотов.
Большим преимуществом здесь является легкий доступ и простота обслуживания. Уменьшение высоты и лучшее использование пространства достигается за счет наклона двигателей на определенный угол. В некоторых областях применения (например, в низкопольных автобусах) этот угол может составлять 90 градусов: тогда речь идет о горизонтальном двигателе.
Тип двухрядной системы, в которой два противоположных цилиндра приводят в движение общий коленчатый вал. В настоящее время эту версию используют почти без исключения спортивные и гоночные двигатели, поскольку она очень компактна при том же рабочем объеме, благодаря чему ее производительность на единицу объема превосходна.
Блоки двигателей V2 часто используются в мотоциклах, и подавляющее большинство автомобилей попадают в диапазон от V6 до V12. Угол цилиндра весьма изменчив и составляет 45, 55, 60, 80, 90 или 180 градусов.
Его объемная эффективность не достигает уровня V-образных двигателей, но помогает удерживать центр масс автомобиля на низком уровне. Из-за дороговизны производства лишь немногие бренды в долгосрочной перспективе приняли такое расположение цилиндров (Subaru, Porsche), но это решение стало их торговой маркой.
