Эволюция двигателей: V12, V8, V6, R4. Кто меньше?

Изменяясь по типу подачи топлива, по различным системам, повышающим мощность и улучшающим экономичность с экологичностью, двигатель внутреннего сгорания эволюционировал и по такой базовой составляющей, как количество/расположение цилиндров. Причем если по ряду устройств оптимальная или близкая к ней схема на данный момент найдена, последний процесс не прекращается до сих пор. Более того, сейчас моторы переживают очередной этап своей трансформации, который может закончиться непредсказуемо.

В погоне за цилиндрами

Что и говорить, отношение к тому, каким должен быть двигатель внутреннего сгорания, на заре моторизации было очень вольным. Как вам мотор в один цилиндр объемом 12 литров?! Конечно, исключение, однако единственный «горшок» в конце XIX — начале XX вв. использовали повсеместно. Достаточно вспомнить агрегаты Отто, Даймлера, Майбаха, Нобеля, Дизеля, Бенца. Технологические ограничения просто не позволяли выйти за рамки такого инженерного постулата. Это продолжалось недолго — литейное производство развивалось тогда очень интенсивно. К тому же быстро выяснилось, что детали подобной, с позволения сказать, «однушки» испытывают большие нагрузки, сказывающиеся на ресурсе мотора.

Автомобиль Карла Бенца и его одноцилиндровый двигатель. Последний располагался горизонтально, имел водяное охлаждение, объем в 954 «кубика», электрическое зажигание и 0,9 л.с.

Двухцилиндровый рядный двигатель получили относительно скоро — в 1896-м. Сделали это два американских инженера. Позже этим бензиновым агрегатом оснащали трактора. Что любопытно, всего через год тот же Карл Бенц изобрел мотор о двух цилиндрах, где поршни двигались навстречу друг другу. Так появился оппозитный двигатель. А уже на рубеже XIX и XX веков автомобили приводились рядными «четверками».

Одним из первых четырехцилиндровых моторов стал агрегат, который братья Райт использовали на своем самолете. По традиции того времени он имел отдельные цилиндры, выполненные, кстати, из алюминия (чем объяснялся его сравнительно небольшой вес — 72–82 кг), объем в 3,84 л и мощность в 28–42 л.с.

Двигатель Benz 200HP или Blitzen Benz (blitzen — молния) являл собой самый бескомпромиссный подход к разработке рядных «четверок», точнее, к их объему — 21,5 л. Построенный в 1909-м он, что следует из названия, развивал 200 л.с. Спустя два года машина установила рекорд скорости, разогнавшись до 228,1 км/ч

Было вполне логично, что вслед за «четверками» появились рядные «шестерки» и «восьмерки», а также V-образные 8- и 12-цилиндровые агрегаты.

Первым массовым автомобилем с V8 стал Cadillac Type 51 1915 года, хотя до этого V-образные «восьмерки» в опытном порядке предлагались в Англии (Rolls-Royce) и на континенте (De Dion-Bouton). Двигатель был 5,4-литровым (по другой информации, 5,2-литровым) и развивал 70 л.с. На фото слева удлиненный четырехдверный Saloon, чей кузов в единственном экземпляре изготовило стороннее ателье. Вообще же до 1917 года Cadillac выпустил около 50 000 автомобилей с V8

Компания Packard внесла свой вклад в развитие двигателестроения, точнее, в рост числа цилиндров. Ее модель Twin Six, как видно из названия, несла под капотом первый 12-цилиндровый V-«образник». 6,95-литровый гигант развивал 85 л.с. и мог разгонять машину до 112 км/ч. Для сравнения, максималка Cadillac Type 51 была на 4 км/ч больше. Но интереснее то, что именно Twin Six стал той моделью, которая, попав после революции к Сталину, определила будущие автомобильные предпочтения вождя

Апофеозом «гонки за цилиндрами» стал V16, с которым Cadillac представил модель 452 в 1930 году. 7,4-литровый мотор развивал 165 л.с. и мог разгонять без малого трехтонную машину до 160 км/ч. Интересной особенностью двигателя было верхнее расположение клапанов и их гидротолкатели. Также помимо прочего отмечалась хорошая эластичность силового агрегата и его бесшумность. 452-й серией заинтересовались даже в Старом Свете, однако первоначальные планы выпуска до 3000 автомобилей в год нарушила Великая депрессия. В итоге примерно такое количество было собрано до 1937 года, когда появилось следующее поколение

А вот к V-образному расположению шести цилиндров пришли только в середине прошлого века. Конструкторов отпугивал значительный уровень вибраций, ведь V6 работает как два рядных трехцилиндровых агрегата. Впрочем, тут нужно разбираться.

Lancia Aurelia в 1950 году стала первым серийным автомобилем, на котором использовали V6. Первая из «шестерок» была 1,8-литровой и развивала 56 л.с. Но уже в 1951–53 гг. появились 2,0- и 2,5-литровые V-«образники» мощностью, соответственно, 70 и 118 сил. Машина, разросшаяся до целого модельного ряда (были седаны, купе, версия GT, что на фото, а также родстер, универсал, модификация для США и «двухдверка», чей кузов выполнили в Pininfarina), успешно выступала в ралли и вообще была интересной технически. Так, коробку со сцеплением отнесли к заднему мосту, тормозные механизмы — к редуктору, а независимую заднюю подвеску скоро сменили на полузависимую типа Де Дион с рессорами

Найти компромисс

Но что такое увеличение числа цилиндров? Понятно, что умножение объема и повышение мощности. А еще рост массы двигателя, дополнительная нагрузка на одну из осей, отъем жизненного пространства у пассажиров. В первой половине XX века об этом особо не задумывались, поэтому производители могли позволить себе использовать и рядную «шестерку» с «восьмеркой», и V12 с V16. Дело было не только в том, что большое количество цилиндров тогда выступало ключевым фактором, обеспечивающим мощность. Эти моторы хорошо уравновешены. Иначе говоря — имеют минимум вибраций, которые сказываются на ресурсе агрегата, не говоря уж о комфорте и вообще статусности модели. Поэтому-то, как говорилось выше, инженеры на моделях верхних классов побаивались V6 и V8, а рядные «четверки» использовали лишь от безысходности.

Автомобильная история знает еще один тип двигателя, который применялся, пусть и ограниченно, — U-образный. Коленвалы двух рядных «четверок» соединялись цепью и работали на один маховик. С таким, например, готовы были предлагать Matra-Simca Bagheera, выпускавшуюся в 1973–80 гг. Объединенный из двух серийных 1,3-литровых моторов U-двигатель развивал 168 л.с., но прототип так и не пошел в серию

Откуда вообще возникают вибрации? Не будем тут городить формулы из механики, объясним все «на пальцах». Кривошипно-шатунный механизм в составе поступательно движущихся и вращающихся масс представляет собой сложную схему, взаимодействие сил в которой не описать простым «строго вверх-вниз» или «направо-налево». Пара шатун–поршень, за один оборот коленвала меняющая направление своего перемещения, движется по сложной траектории, а поршень вдобавок проходит нижнюю и верхнюю части цилиндра с разной скоростью. Вообще в двигателе внутреннего сгорания едва ли не каждый движущийся элемент выступает источником вибраций. Однако в расчет принимаются только те, которые порождают силы инерции, воздействующие на мотор с частотой работы коленвала либо вдвое большей. Такие называют силами инерции первого и второго порядка.

Ну а они, приложенные по движению шатунов-поршней, будучи в паре и направленные в разные стороны через коленвал — прямо по известной формуле «сила, умноженная на плечо», — рождают моменты. Последние стремятся повернуть двигатель по оси коленвала.

Надо полагать, что инженерам еще в начале прошлого века была доступна эта информация. Не зря же, как сказано ранее, в качестве двигателей выбирались рядные «шестерки» с «восьмерками» и V12, чьи кривошипы коленвала расположены под такими углами, что силы и моменты в них полностью уравновешивают друг друга. К сожалению, в наше время V12 так и остался атрибутом машин дорогих и по большей части спортивных. R8 стал покидать моторные отсеки еще до Второй мировой войны. Сказались и габариты, и то, что длинные коленвал и распредвал в нем испытывают значительные изгибающие нагрузки. Достаточный их ресурс обеспечивался увеличением сечения, а это приводило к росту массы мотора.

Отечественный ЗиС-110, выпускавшийся с 1945 по 1958 годы, стал, наверное, последним легковым автомобилем, оснащавшимся рядным восьмицилиндровым агрегатом. Внушительный по габаритам двигатель имел объем в 6002 «кубиков» и развивал 140 л.с.

Наконец, рядные шесть цилиндров тоже стали персоной нон грата в моторных отсеках.

Во-первых, обозначившийся несколько десятилетий назад повальный переход на передний привод и, соответственно, поперечное расположение силового агрегата, просто не оставили конструкторам выбора. Нет, безусловно, были и есть примеры того, как инженеры втискивали такой «рядник» в подкапотное пространство переднеприводников. Один из таких — Chevrolet Epica с двухлитровым R6, внезапно появившийся и столь же неожиданно покинувший рынок. В Volvo до сих пор на моделях от D- и E-класса до кроссоверов используются 3,0- и 3,2-литровые «шестерки». Но и этим агрегатам жить тоже осталось недолго. И не зря! Сложность компоновки длинного мотора поперек отсека оставляет мало возможностей поиграть с передней подвеской. Делает обслуживание/ремонт трудоемкими и дорогими. А коробку передач сверхкомпактной, что, кстати, сказывается на ее ресурсе.

Во-вторых, даже на моделях с продольным расположением силовой установки производители резонно отметили, что кроме отсутствия пресловутой вибронагруженности плюсов-то у подобной схемы больше и нет. Место при этом двигатели отнимают заметно. Есть проблемы «с лишним весом», и не всегда качественно охлаждаются два последних по ходу движения цилиндра.

Баварцы отказались от двухлитровых рядных «шестерок» еще в 2000 году. 2,5-литровые аналогичные агрегаты покинули подкапотное пространство BMW 12 лет спустя. R6 в три литра — последние из могикан. Toyota тоже активно использовала подобные установки и также начала отрекаться от них в предыдущем десятилетии. На регулярно сменяющихся поколениях рядные «шестерки» исчезли в 2007-м. А остались разве что на консервативных Toyota Crown, предназначенных для такси и другого служебного использования

Полностью уравновешен еще один двигатель — оппозитный шестицилиндровый. Но его в подкапотном пространстве тоже нужно умудриться разместить. Поэтому в автомобильном мире B6 используют лишь две компании — Porsche и Subaru. Что же с остальными агрегатами?

Повторимся: еще несколько десятилетий назад именно объем двигателя был решающим фактором, увеличивающим мощность. При этом мотористы давно открыли то, что для рядной «четверки» оптимальный объем не более двух литров. Превышение этого значения влечет за собой повышение массы шатунов с поршнями и рост вибраций. Хотя R4 тоже неплохо уравновешен — «нагружен» лишь силами инерции второго порядка, которые нивелируются балансирным валом, вращающимся с удвоенной скоростью. Причем для его компенсации устраивается еще один вал, вращающийся в противоположную сторону. Сложно, дорого при производстве и хлопотно при обслуживании — ременный или цепной привод балансирных валов нужно менять! И тем не менее до недавнего времени на легковушках максимальный объем «четверки», даже усложненной валами, обычно не превышал 2,2–2,3 л.

V-образные «четверки» вибрируют по полной — есть силы инерции второго порядка и моменты ото всех сил. Поэтому производители выбирали такой тип агрегата исключительно по компоновочным соображениям. Так, он идеально помещался в короткий моторный отсек Запорожца (слева), где был установлен продольно. А вот четырехцилиндровый оппозит уравновешен значительно лучше — только моменты от сил второго порядка. Однако разместить «боксер» сложно — широкий

У рядной «пятерки», как, кстати, и у V10, силы инерции скомпенсированы, но присутствуют моменты от них. В итоге эти агрегаты достаточно вибронагружены, по причине чего используются редко. Точнее, «десятка» еще применяется, а R5 — вымирающий вид. И появился он сравнительно недавно, в середине 70-х. Теперь же, судя по всему, остался лишь у Volvo, да и то временно.

С конца 80-х и до конца 90-х на ряд Honda, в том числе на модели Ascot/Rafaga (на фото), устанавливались пятицилиндровые G20A и G25A объемом 2,0 и 2,5 л мощностью 160 и 180 л.с. Их появление у компании приписывают формульному V10, который Honda поставляла команде McLaren. Двигатели размещались продольно, привод был передний — через коротенький вал. Балансирный же вал существовал на ранних версиях моторов, впоследствии от него отказались, возложив обязанности по гашению вибраций на опоры агрегата

В V6 многое зависит от угла развала блока и конструкции коленвала. При 90 градусах и трех кривошипах на коленвале (шатуны на них «сидят» попарно) уравновешивается момент инерции первого порядка, однако не обеспечивается равномерного чередования вспышек в цилиндрах. «Предоставление» каждому шатуну своей шейки меняет ситуацию, и тогда момент гасится балансировочным валом. Впрочем, на заре появления V6 этим не занимались — слишком сложной для того времени получалась технология изготовления коленвала.

Просто использовали иной угол развала — например, 60-градусный. При нем момент от сил первого порядка скомпенсирован, а моментом от сил второго порядка в середине прошлого века просто пренебрегали. Наконец, и при 120-градусном развале блока требуется балансировочный вал, зато вспышки происходят с одинаковыми интервалами и нет необходимости сильно утяжелять маховик. Фактически угол развала у V6 вместе со строением коленвала определяли разные потребительские и технические характеристики, обуславливая и круг применения — на внедорожниках, представительских седанах, GT-машинах.

То же самое с V8. С той лишь разницей, что обычно здесь используется 90-градусный развал блока. При расположении кривошипов в перпендикулярных плоскостях удается получить равномерные вспышки, хорошую тягу на «низах» и отсутствие вибраций, которые гасятся всего лишь противовесами на вале. Причем шатуны садятся на кривошипы попарно, что в условиях несовершенства литейных технологий значительно облегчало производство коленвалов.

V8, у которого кривошипы расположены в одной плоскости — несколько иной агрегат. В нем присутствует сила инерции второго порядка, которую надо уравновешивать, используя два балансировочных вала. Но вспышки у такой «восьмерки» тоже равномерны, а кривая момента сдвинута к высоким оборотам. Один из последних примеров — атмосферный 5,2-литровый мотор Shelby GT, раскручивающийся до 8250 об/мин и развивающий 526 л.с.

Веяния времени

Погоня за мощностью, получаемой благодаря увеличению объема, продолжалась еще в 90-х. Именно тогда VW для ряда моделей, в основном компактных вроде Golf и Jetta, разработал так называемые V-образно-рядные моторы. Идея была подсмотрена — у Lancia, чьи инженеры еще в 60-х годах предложили подобный агрегат.

Lancia Fulvia, выпускавшаяся в 1963–76 гг., стала первым автомобилем, получившим V-образно-рядный двигатель. Это была «четверка», чьи цилиндры располагались в шахматном порядке и были накрыты одной головкой. По сути, появилась целая линейка агрегатов, объемом от 1,1 до 1,6 л мощностью 58–132 л.с. Угол развала между парами цилиндров тоже отличался — 11–12 градусов. Вдобавок и сам двигатель был наклонен относительно вертикальной плоскости на 45 градусов. Мотор был плохо уравновешен и в итоге от него отказались. На фото слева версия Coupe, подготовленная для участия в ралли

Как и итальянцам, немцам был нужен компактный двигатель, разве что размещали его на переднеприводных моделях поперечно, а не продольно. Ну и пошли дальше. С 1991 по 2005 годы в концерне родился целый выводок VR-моторов. Сначала появился VR6 объемом 2,8 л. В 1994-м дебютировал 2,9-литровый агрегат. Спустя три года из «шестерки» получили 2,3-литровую «пятерку», VR5. Все они имели такое же шахматное расположение цилиндров, между рядами которых был угол в 15 градусов. А накрывала их общая и единственная головка. По причине отсутствия в ней места двигатели были 10- и 12-клапанными. И только в 1999-м VR6 обзавелся двумя распредвалами и 24 клапанами. «Пятерку» перевели на DOHC и того позже. Мощности, кстати, были невысокие — от 150 сил у VR5 и 174 сил у VR6 до 204 «лошадей» у 2,8-литрового мотора, оснащенного уже системой изменения фаз газораспределения.

Блоки VR-агрегатов были компактными, что позволяло без особых проблем размещать их в моторных отсеках моделей гольф-класса. За это приходилось расплачиваться серьезной вибронагруженностью — присутствовали и силы инерции обоих порядков, и моменты от них

К концу прошлого десятилетия от «виэров» на переднеприводниках потихоньку отказались. К чему относительно тяжелые, безусловно, сложные и не развязанные от вибраций агрегаты, если до 300 сил с помощью турбонаддува можно получить с двухлитровой «четверки»? Однако полностью смещенно-рядные, как их еще называют, моторы в VW не забросили. Разработанные в начале-середине 2000-х VR6 объемом 3,2 и 3,6 л используются на Touareg с его соплатформенниками и на Phaeton. Что ж, экономия полезного пространства, отданного пассажирам, а не механизмам, актуальна и для крупных седанов-внедорожников. Именно для них в конце 90-х VW представил двигатели W8 и W12.

8- и 12-цилиндровые W-«образники» — это сочетание хорошего объема (от 4 до 6 л) и компактности. Ведь первый по длине короче традиционного V6, второй — рядной «четверки». Если в привычных единицах измерения, то, соответственно, менее полуметра и чуть больше. Что касается сложности обслуживания/ремонта и неуравновешенности, то первое для современных и недешевых моделей сейчас не принципиально. Второе же урегулируется подвеской агрегата и балансировочными валами

Ключевым узлом в борьбе с разного рода вибрациями теперь выступают гидроопоры подвески силового агрегата. В составе узла две камеры, связанные между собой каналами для перетекания рабочей жидкости, и резиновая мембрана. При небольших вибрациях работает последняя. При значительных колебаниях двигателя камеры начинают обмениваться жидкостью друг с другом. Помимо простейших, закрытых устройств, есть опоры с электровакуумным приводом и электронно-управляемые — со связью с впускным коллектором, внешней средой и завязкой на ЭБУ

И все-таки VR и W — это экзотика. Основным агрегатом для подавляющего большинства моделей становится рядная «четверка», объем которой для легковых автомобилей может достигать 2,5 л, а в других случаях подбираться и к трем литрам. Впрочем, теперь объем не главное. Иные производители не чураются устанавливать двухлитровые турбомоторы даже на представителей E-класса. Да что «четверки»! У BMW на машинах с поперечным расположением силовой установки в числе базовых рядные «тройки». Те, которые трясутся от моментов сил инерции и которыми еще совсем недавно оснащались какие-нибудь «бюджетники» для третьих стран или японские кей-кары. Но экономия — на металле, на трудозатратах на сборку, на массе и пространстве, в конце концов, — решает все. Глядишь, в скором времени мы увидим и двухцилиндровые моторы. Те, что у зарубежных компаний бились в вибрациях еще далеко в XX веке, а в России отжили свое на Оке. Ну ведь совсем дешево и сердито.