Сто лет назад этот текст вылился бы в книгу: под капотом автомобилей бывали моторы и с современную газонокосилку, и звездообразные авиамонстры. Сейчас все устаканилось: пара-тройка литров объема, три конфигурации.
Всей стройности и традициям современного моторостроения мы обязаны промышленной революции XIX века. А она, в свою очередь, была во многом спровоцирована появлением парового двигателя, практическое использование которого началось еще в XVII веке. Паровой монстр трансформировался в течение без малого трех столетий, но взрыв случился в середине XIX века: человечество додумалось до двигателя внутреннего сгорания (ДВС), и перед зарождающимся автомобилестроением открылись новые горизонты. Естественно, передовые технические умы того времени рьяно взялись за развитие свежей идеи.
Двигатели внутреннего сгорания могли быть востребованы везде: в текстильной промышленности, в сельском хозяйстве, в авиации и судоходстве, в добывающей промышленности, в наземном транспорте. Каждая из этих областей имела свою специфику и требования к двигателю, каждая диктовала свои условия. Так что двигатели порой принимали самые причудливые формы, но автомобильные конструкторы быстро определились со своими потребностями: к началу XX века все лишнее было отсечено, и в разработку были приняты лишь три компоновочные схемы автомобильных моторов. Как это ни удивительно, но, несмотря на стремительный рывок технологий, эти три конструктивные схемы сохранились поныне: большинство легковых автомобилей, которые продаются в салонах и колесят по дорогам нашей страны, оснащены рядными бензиновыми двигателями, реже встречаются V-образные моторы и «оппозитники». Как так получилось, что из всего многообразия схем ДВС популярными стали именно эти?
Движение в такт
Возьмем классический четырехтактный двигатель цикла Отто (по имени инженера Николауса Отто, впервые построившего такой мотор) с вертикально расположенным цилиндром. Главная задача — преобразовать тепло от сгорания топлива во вращательное движение механизма. Имеем цилиндр, поршень, впускной и выпускной клапаны, кривошипно-шатунный механизм и свечу зажигания. Внутри замкнутого цилиндра находится поршень.
- 1-й такт. Впуск. Смещаясь вниз вдоль цилиндра (ход поршня) в разреженную пустоту цилиндра (рабочий объем), через открывающийся впускной клапан втягивается смесь воздуха с топливом.
- 2-й такт. Сжатие. Поршень движется вверх, впускной и выпускной клапаны закрыты, смесь сжимается и нагревается.
- 3-й такт. Рабочий ход. В момент, когда поршень достигает своей максимальной верхней точки и топливная смесь имеет оптимальное для воспламенения состояние, в камеру сгорания подается искра, возникающая между направленными в камеру электродами свечи, и смесь воспламеняется. Происходит взрыв — и последующее расширение газов давит на поршень, заставляя его вновь двигаться вниз.
- 4-й такт. Выпуск. Достигнув нижней точки, поршень опять движется вверх, но открывшийся выпускной клапан высвобождает отработанные газы наружу.
Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное благодаря кривошипно-шатунному механизму.
Все работает! Но предположим, возникла необходимость увеличить мощность. Наддув, изменяемые фазы газораспределения и инжекторный впрыск пришли на ум не сразу.
Делай больше
Самое очевидное решение — увеличить в размерах отдельные элементы двигателя. Например, размер цилиндра. Именно так и поступали первые конструкторы двигателей, но совершенно очевидной оказалась и возможность добавить в двигатель еще один цилиндр, а может, два, три и даже шестнадцать. Цилиндры логично устанавливались вертикально в ряд, шатуны поршней усаживались на удлиненный коленчатый вал. Вот вам и рядный ДВС.
Конечно, таким образом значительно улучшались характеристики, но размеры и вес двигателя росли еще быстрее. Огромный двигатель неизбежно порождал проблемы компоновочного характера. Длинный и высокий рядный двигатель вынуждал автомобильных кузовщиков создавать гигантские капоты. К примеру, восьмицилиндровый рядный двигатель устанавливавшийся на люксовую модель 1930-х Renault Reinastella, скрывался под двухметровым капотом и занимал значительную габаритную длину и без того немалого автомобиля. Объем цилиндров в таких двигателях составлял шесть, семь, а то и девять литров. Невероятная длина коленчатого и распределительного валов вела к дополнительным торсионным нагрузкам. Попытки увеличения сечений валов неизбежно приводили к увеличению массы двигателя и проблемам c кинематикой. К тому же длинный мотор невозможно установить поперек капота, что удобно для набиравшей популярность переднеприводной схемы. Большие габариты мощных рядных многоцилиндровых двигателей служили причиной поиска компоновки цилиндров с более компактной геометрией в пространстве. Отличным решением оказался V-образный двигатель.
Поршни врозь
Цилиндры в этом моторе располагаются под углом в виде латинской буквы V. Шатуны поршней так же, как у рядников, расположены на одном коленчатом вале, но — ближе, что позволяет сократить общую длину двигателя почти вдвое и разместить мощный двигатель внутри небольшой мотоциклетной рамы или упрятать четырехцилиндровый агрегат в крошечном моторном отсеке ЗАЗ-965. Благодаря V-образной компоновке восьмицилиндровые двигатели мощностью 400 л.с. и более запросто поместились в двухдверные Chevrolet Camaro или Ford Mustang. Компактные размеры способствовали увеличению жесткости элементов корпуса двигателя, а расположение цилиндров под углом позволило уменьшить высоту двигателя. Однако широкие V-образные двигатели плотно занимают подкапотное пространство и более трудоемки в ремонте. Две головки блока, более сложная система газораспределения и выхлопа.
Баланс сил
Вибрации в той или иной мере — неотъемлемый спутник любых поршневых двигателей, но в некоторых случаях V-образники более вибронагружены, чем их рядные собратья. И если многоцилиндровые (8, 12, 16) V-образные двигатели с широким углом развала (обычно 60° или 90°) менее склонны к вибрации, то более компактные, особенно так называемые рядно-V‑образные (Volkswagen впихнул в Golf мотор VR6 с углом развала цилиндров 15°, на Lancia Fulvia ставили V4 с углом 23°) колотит прилично. Во многих ситуациях они вынуждают конструкторов добавлять противовесы и балансирные валы. Идеальной естественной уравновешенностью обладают только «шестерки» — рядные и оппозитные. Угадайте, почему за них до последнего держатся BMW и Porsche?
Боксеры без перчаток
«Оппозитник» — тот же V-образник, но с углом развала 180°. Поршни двигаются в горизонтальной плоскости навстречу друг другу, поэтому, например, оппозитный B4 менее склонен к вибрациям, чем рядный R4. Но куда более важный плюс — малая высота, ведь появляется возможность расположить движок в нижней части моторного отсека и снизить центр тяжести, а значит, и повысить устойчивость автомобиля. Плоский двигатель можно разместить сзади даже под полом «бусика» (VW Transporter T1). Оппозитный двигатель стоял на самом массовом автомобиле всех времен Volkswagen Kafer (более 21 млн экз.) и на бюджетном Citroёn 2CV (3,8 млн экз.).
«Боксеры» ставились еще на довоенные мотоциклы BMW и до сих пор ставятся на тяжелые байки компании. Нам оппозитники хорошо знакомы по мотоциклам «Урал» и «Днепр». У «боксеров» отличная отдача, и за это их долгое время вовсю использовала Alfa Romeo, пока коммерческая необходимость унификации внутри концерна Fiat не привела к отказу от них в пользу более распространенных и оправданных рядных и V-образных двигателей. Тем не менее Porsche и Subaru вообще сделали оппозитные двигатели своей визитной карточкой, хотя есть у них и свои недостатки: сложная ремонтопригодность, повышенный расход масла и топлива.