Четырёхцилиндровый двигатель
- Рядный четырёхцилиндровый двигатель — конфигурация двигателя внутреннего сгорания с рядным расположением четырёх цилиндров, и поршнями, вращающими один общий коленчатый вал. Часто обозначается I4 («ай-фор») или L4 («Straight-4», «In-Line-Four»). Плоскость, в которой находятся цилиндры, может быть строго вертикальной или находиться под определённым углом к вертикали. Во втором случае двигатель иногда называют Slant-4 (/4) — например, двигатель автомобиля «Москвич-412».
Конфигурация I4 для четырехтактного двигателя является несбалансированной, но проста в производстве (для двухтактного двигателя с чередованием работы цилиндров через 90° в порядке 1-3-4-2 или 1-2-4-3 такая конструкция — сбалансированная). При этом четырёхцилиндровый двигатель имеет примерно на треть меньше деталей, чем шестицилиндровый того же объёма и мощности, и требует примерно на столько же меньше времени для многих операций по обслуживанию и ремонту. Поэтому она находит применение обычно в сравнительно бюджетных автомобилях с относительно небольшим рабочим объёмом двигателя, а также автомобилях, для которых простота в ремонте и обслуживании важнее уровня комфорта (такси, внедорожники и т. п.).
Современные рядные 4-цилиндровые двигатели имеют рабочий объём обычно от 0,7 до 2,3 литра. С ростом рабочего объёма уровень вибраций значительно возрастает, поэтому на современных двигателях этой конфигурации с рабочим объёмом более 2,0 л., как правило, используются дополнительные балансировочные (успокоительные) валы, позволяющие приблизить уровень вибраций к рядным шестицилиндровым двигателям аналогичного рабочего объёма.
В прошлом, однако, I4 бо́льших рабочих объёмов не были редкостью.
В начале XX века существовали гоночные автомобили с рядными четырёхцилиндровыми двигателями рабочим объёмом 10-17 литров — например, De Dietrich. Мощность этих двигателей, однако, была весьма невелика — обычно порядка 70-100 л. с., что объясняется тем, что их максимальные обороты составляли лишь около 1500 об/мин.
В довоенные годы четырёхцилиндровые автомобильные двигатели большого объёма не были редкостью, особенно на грузовиках. Сюда можно отнести, например, советские ГАЗ М-1, ГАЗ-АА и их производные (3285 см³).
International Harvester с 1915 по 1926 год использовал на своих грузовиках 3,3-литровую нижнеклапанную рядную четвёрку, а в 1961—1972 годах выпускал рядные 4-цилиндровые моторы семейства Comanche рабочим объёмом 2,5 и 3,2 л. Все легковые и грузовые автомобили Ford вплоть до появления в начале 1930-х годов Ford Flathead V8 имели нижнеклапанные рядные четырёхцилиндровые двигатели (фактически двух семейств — Ford T и Ford A). Chrysler c 1926 года и до полного перехода на рядные шестёрки в 1932 году использовал на бюджетных моделях своих марок (S-Series) нижнеклапанные рядные четырёхцилиндровые моторы рабочим объёмом 2,7…3,2 л. Двигатель Pontiac Tempest модели 1961-63 годов имел рабочий объём 3188 см³ и не имел балансировочных валов.
Из относительно недавних примеров, западногерманская фирма Porsche выпускала автомобили с 2990-кубовыми I4.
Советские и российские автомобили «Волга» и УАЗ в течение длительного периода времени (с 1957 по начало 2000-х) оснащались рядными четырёхцилиндровыми двигателями с алюминиевыми гильзованными блоками и клапанным механизмом OHV производства ЗМЗ и УМЗ, которые имели рабочий объём 2,445 литра (имелись версии объёмом 2,9 литра) и не имели балансировочных валов. В настоящее время автомобили УАЗ снабжаются рядными четырёхцилиндровыми моторами производства ЗМЗ семейства 409 (с чугунным блоком и клапанным механизмом DOHC, никак не связанного с ранее упомянутым), с рабочим объёмом 2,7 литра и балансировочными валами.
Все эти двигатели были достаточно малооборотными и относительно тяжёлыми, что, наряду с особыми мерами при конструировании и при правильной настройке, практически сводило на нет нежелательные вибрации по сравнению с I4 меньшего объёма. Хотя, скажем, двигатель «Понтиака» оказался очень чувствителен к настройке карбюратора.
В настоящее время одними из наибо́льших по рабочему объёму серийных рядных четырёхцилиндровых бензиновых двигателей являются японские моторы семейства Toyota 3RZ-FE с рабочим объёмом 2,7 л (Toyota Land Cruiser Prado и другие модели). Четырёхцилиндровые дизели такого и большего объёма не являются редкостью и часто используются на грузовиках и тракторах, для которых уровень вибраций не является определяющим фактором.
V-образный четырёхцилиндровый двигатель — весьма редкая конфигурация. Изредка применялся в начале XX-века на мотоциклах, гоночных автомобилях и самолетах. Массовыми реализациями такой конфигурации в отечественном автопроме были лишь двигатели Мелитопольского моторного завода МеМЗ-965, МеМЗ-966, МеМЗ-968, применявшиеся на автомобилях «Запорожец» и ЛуАЗ. Такая конфигурация была выбрана из соображений достижения компактности силового агрегата как в длину, так и в ширину и упрощения его системы воздушного охлаждения. Однако конфигурация V4 полностью несбалансированная и имеет неравномерное чередование вспышек в цилиндрах. По этой причине автомобили «Запорожец» издают при работе характерный неприятный тарахтящий звук (на самом деле в основном из-за системы воздушного охлаждения, для «водяных» V4 это вовсе нехарактерно, по звуку и характеру работы они несколько напоминают V6, с которыми обычно и унифицированы). В мировой практике V4 водяного охлаждения в своё время находили широчайшее применение в модельном ряду европейского филиала Ford Motor Company, в частности на моделях Ford Taunus и Ford Granada, а также (тот же двигатель) на автомобилях SAAB, на которые он ставился вместо двухтакного трёхцилиндрового, опять же, благодаря компактности.
Оппозитный четырехцилиндровый двигатель — поршневой двигатель внутреннего сгорания, в котором угол между рядами цилиндров составляет 180 градусов. В автомобильной и мототехнике оппозитный двигатель применяется для снижения центра тяжести, вместо традиционного V-образного. Оппозитный двигатель в отличие от других четырехцилиндровых двигателей, самый сбалансированный. Коленчатый вал оппозитного двигателя испытывает меньшие нагрузки, что позволяет развивать большие обороты двигателя, и снимать большую удельную мощность не увеличивая массу.
По сравнению с рядным четырехцилиндровым двигателем имеет (как и V-образный двигатель) более сложную конструкцию.
Наиболее широкое распространение оппозитный двигатель получил в модели Volkswagen Käfer выпущенной за годы производства.
Компания Porsche использует его в большинстве своих спортивных и гоночных моделей, таких как Porsche 997, Porsche 987 Boxster и другие.
Оппозитный двигатель является также отличительной чертой автомобилей марки Subaru, который устанавливается практически во все модели Subaru c 1963 года. Большинство двигателей этой фирмы имеют оппозитную компоновку, которая обеспечивает очень высокую прочность и жёсткость блока цилиндров.
Volkswagen Transporter T1 — T3 бензиновые версии моторов также были оппозитными. Малая высота двигателя позволяла устанавливать его под полом салона.
Рядный двигатель: 4 и 6 цилидровый преимущества и недостатки
На многих современных автомобилях используется рядный двигатель, в котором в основном 4 цилиндра, но в последние время появились автомобили, в которых используется рядный шестицилиндровый ДВС. Шестицилиндровые рядные ДВС отличаются меньшим расходом топлива по сравнению с V — образными ДВС. У рядного ДВС цилиндры расположены в один ряд, а у V образных они расположены в два ряда под определенным углом друг к другу. Рядные ДВС были одни из самых первых, которые пришли на смену паровым двигателям. Мы недавно писали про поршневой двигатель внутреннего сгорания, там более подробно рассмотрены некоторые моменты.
Как все начиналось?
Предком современного рядного ДВС был одноцилиндровый двигатель. Придумал и построил его Этьен Ленуар еще в 1860 году. Принято считать именно так, хотя попытки получить патент на данный двигатель были и еще до Ленуара. Но именно его разработка максимально похожа на те конструкции, что сегодня установлены под капотами большинства бюджетных серийных легковых авто.
Мотор имел всего один цилиндр, а мощность его была равна огромным на то время 1,23 лошадиным силам. Для сравнения, современная «Ока» 1111 имеет два цилиндра и мощность ее от 30 до 53 лошадиных сил.
Больше и мощнее
Идея Ленуара оказалась гениальной. Многие инженеры и изобретатели тратили годы и силы на то, чтобы максимально усовершенствовать двигатель (конечно, на уровне, существующих на тот момент технических возможностей). Главный упор был сделан на повышение мощности.
Вначале внимание концентрировали на единственном цилиндре – пытались увеличить его размер. Тогда всем казалось, что увеличив размер, можно получить большую мощность. И увеличение объема тогда было проще всего. Но одним цилиндром не обошлось. Пришлось сильно увеличить и остальные детали – шатун, поршень, блок.
Все те двигатели получались очень нестабильными, имели большую массу. В процессе работы такого мотора была огромная разница во времени между тактами воспламенения смеси. Буквально каждая деталь в таком агрегате гремела и тряслась, что заставляло инженеров думать над решением. И они оснастили систему балансиром.
Тупиковый путь
Скоро всем стало понятно, что исследования зашли в тупик. Двигатель Ленуара не смог нормально и корректно работать, так как соотношение мощности, массы и размеров было ужасным. Нужна была масса дополнительной энергии, чтобы снова увеличивать объем цилиндра. Многие стали считать идею создания двигателя крахом. И люди до сих пор бы ездили на лошадях и повозках, если бы не одно техническое решение.
Конструкторы начали осознавать, что можно вращать коленчатый вал не только одним поршнем, но и сразу несколькими. Самым простым оказалось изготовление рядного двигателя – добавили еще несколько цилиндров.
Первый четырехцилиндровый агрегат мир смог увидеть в конце XIX века. Сравнить его мощность с современным двигателем нельзя. Однако по эффективности он был выше, чем все прочие его предшественники. Мощность удалось увеличить благодаря повышенному рабочему объему, то есть посредством добавления цилиндров. Довольно быстро специалисты различных компаний смогли создать многоцилиндровые моторы вплоть до 12-цилиндровых монстров.
Принцип действия
Как действует ДВС? Не считая того, что каждый двигатель имеется разное количество цилиндров, рядный двигатель с шестью или четырьмя цилиндрами работает одинаково. Принцип основывается на традиционных характеристиках любых ДВС.
Все цилиндры в блоке располагаются в один ряд. Коленчатый вал, приводимый в действие поршнями за счет энергии сгорания топлива, единственный для всех деталей цилиндро-поршневой группы. То же самое касается и ГБЦ. Она единственная на все цилиндры. Из всех существующих рядных двигателей можно выделить сбалансированные и несбалансированные конструкции. Оба варианта рассмотрим далее.
Баланс
Он важен по причине сложной конструкции коленчатого вала. Необходимость в балансировке зависит от числа цилиндров. Чем больше их в конкретном ДВС, тем большим должен быть баланс.
Несбалансированным двигателем может быть лишь та конструкция, где цилиндров не больше четырех. В противном случае в процессе работы появятся вибрации, сила которых будет способна разрушить коленчатый вал. Даже дешевые двигатели с шестью цилиндрами с балансиром будут лучше, чем дорогие рядные четверки без балансирных валов. Так, чтобы улучшить баланс, рядный двигатель с четырьмя поршнями иногда тоже может требовать установки успокоительных валов.
Расположение мотора
Традиционные четырехцилиндровые агрегаты обычно монтируются под капотом автомобиля продольно, либо поперечно. А вот шестицилиндровый агрегат можно установить лишь продольно и более никак (за исключением некоторых моделей «Вольво» и авто «Шевроле Эпика»).
Рядный ДВС, обладающий несимметричной конструкцией относительно коленчатого вала, также имеет особенности. Часто вал сделан с компенсирующими отливами – эти отливы должны гасить силу инерции, образующуюся в результате работы поршневой системы.
Рядная шестерка сегодня уже имеет меньшую популярность – всему виной существенный расход топлива и крупные габаритные размеры. Но даже несмотря на большую длину блока цилиндров, двигатель отлично сбалансирован.
Преимущества и недостатки агрегата
Кроме нескольких нюансов, рядные ДВС имеют такие же преимущества и те же недостатки, что и большинство V-образных двигателей и моторов других конструкций. Четырехцилиндровый двигатель наиболее распространен, является самым простым и надежным. Масса относительно легкая, затраты на ремонт сравнительно низкие. Единственный недостаток – отсутствие в конструкции балансировочных валов. Это лучший ДВС для современных автомобилей даже среднего класса. Существуют и малолитражные рядные моторы с меньшим количеством цилиндров. Как пример – двухцилиндровая экономичная «СеАЗ Ока» 1111.
Шестицилиндровые агрегаты имеют идеальный баланс и здесь недостаток «четверки» компенсируется. Но за баланс приходится платить размерами. Поэтому, несмотря на значительно лучшие по сравнению с «четверкой» характеристики, данные ДВС с рядным расположением цилиндров в двигателе меньше распространены. Коленчатый вал имеет большую длину, стоимость производства довольно высокая, размеры сравнительно большие.
Технический предел
Сейчас не XIX век, но современные силовые агрегаты все так же далеки от технического совершенства. И здесь не помогут даже современные турбины и высокооктановое топливо. КПД ДВС составляет около 20%, а вся прочая энергия тратится на силу трения, инерцию и детонацию. Лишь пятая часть бензина или дизеля пойдет на полезную работу.
Уже выработали основные свойства моторов с наибольшей эффективностью. При этом камеры сгорания и поршневая группа имеет существенно меньшие объемы и размеры. За счет компактных размеров детали имеют меньшую силу инерции – это снижает вероятность повреждения по причине детонации.
Особенности конструкции компактных поршней вносят определенные ограничения. При высокой степени компрессии за счет небольших размеров уменьшается передача давления поршня на шатун. Если поршни имеют больший диаметр, то невозможно получить точную сбалансированную работу из-за огромной сложности. Даже современный мотор «БМВ» обладает этими недостатками, хотя он разрабатывался немецкими инженерами.
Заключение
К сожалению, двигателестроение достигло своего технологического предела. Вряд ли ученые сделают серьезные технические открытия и добьются большей эффективности от двигателя внутреннего сгорания. Так что все надежды на то, что наступит эра электромобилей.
Тест «Кривошипно-шатунный механизм»
Целью настоящих тестов является закрепление студентами знаний, полученных при изучении теоретического материала по теме «Кривошипно-шатунный механизм», входящей в состав МДК 01.02 «Устройство, техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта» профессии 23.01.03 «Автомеханик».
Тесты составлены в соответствии с требованиями программы профессионального модуля ПМ.01 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта», по профессии 23.01.03 «Автомеханик», 1 курс.
«Кривошипно-шатунный механизм»
1.Какие детали КШМ относятся к неподвижной группе?
а) блок цилиндров, картер, крышка блок-картера, маховик
б) блок цилиндров, картер, крышка блок-картера, коленчатый вал, гильза цилиндров
в ) блок цилиндров, картер, крышка блок картера, гильза цилиндров, прокладка блок-картера
2.Из каких материалов изготавливают блок-картер современного двигателя?
а) из легированной стали
б) из бронзы или латуни
в) из чугуна или алюминиевых сплавов
3.Чем закрывается блок-картер двигателя сверху и снизу?
а) сверху и снизу специальными кожухами
б) сверху крышкой цилиндров, снизу кожухом маховика
в) сверху крышкой цилиндров, снизу поддоном картера
4.Как закрывается блок цилиндров на двигателе КамАЗ-740 сверху?
а) двумя головками из чугуна
б ) каждый цилиндр отдельной головкой из алюминиевого сплава
в) двумя головками из алюминиевого сплава
г) одной головкой из алюминиевого сплава
5.Какие детали КШМ относятся к подвижной группе?
а) коленчатый вал, маховик, поршень, поршневые кольца, шатун, коренные подшипники
б ) коленчатый вал, маховик, поршень, поршневые кольца, шатун, шатунные подшипники
в) коленчатый вал, маховик, поршень, поршневые кольца, шатун, поддон картера.
6.Что является направляющей для поршня при его перемещениях в двигателе?
б ) гильза цилиндра
в) коленчатый вал
7.Что называют зеркалом цилиндра?
а) установочные пояски гильзы
б) внутреннюю поверхность гильзы цилиндров
в) наружную поверхность гильзы цилиндров.
г) специальное устройство на торце гильзы
8.Что означает выражение: «На двигателе установлены мокрые гильзы?»
а) гильза, внутренняя поверхность которой смазывается маслом б) гильза, наружная поверхность которой омывается охлаждающей жидкостью
в) гильза, которая охлаждается воздухом
9.Что такое камера сгорания?
а ) объем между днищем поршня и головкой цилиндра, когда поршень находится в ВМТ
б) весь объем расположенный под поршнем
в) объем, в котором происходят рабочие процессы двигателя.
10.Сколько головок цилиндров имеет двигатель ЗиЛ-508?
11.Как затягивают болты или шпильки крепления головок цилиндров?
а) в такой последовательности как работает двигатель с применением удлинителя ключа
б) затяжку проводят, прилагая к ключу как можно большее усилие
в ) затяжку проводят равномерно в определенной последовательности в 2-3 приема, с определенным усилием
12.Почему головку поршня выполняют меньшего диаметра, чем юбку?
а) для удобства установки компрессионных и маслосъемных колец б) для равномерного распределения давления газов на поршень
в) для предотвращения заклинивания поршня при нагреве его во время работы
13.Из какого материала изготавливают поршни?
а) из бронзового сплава
б) из алюминиевого сплава
14.Каким способом фиксируется поршневой палец в поршне?
а ) стопорными кольцами
б) стопорными штифтами
в) установочными болтами
15.По назначению поршневые кольца делятся на:
а) уплотнительные и маслосъемные
б) компрессионные и уплотнительные
в) к омпрессионные и маслосъемные.
г) уплотнительные и стопорные
16.Какое компрессионное кольцо работает в самых тяжелых условиях?
17. Какая деталь соединяет коленчатый вал двигателя с поршнем?
А поршневой палец
в) шатунный подшипник.
18. Сколько шатунов крепится на 1 шатунной шейке коленчатого вала 8-ми цилиндрового V -образного двигателя?
19. Рядный четырехцилиндровый двигатель имеет коленчатый вал на котором
а) 4коренных и 4шатунных шеек
б ) 5коренных и 4шатунных шеек
в) 4коренных и 5шатунных шеек
г) 5коренных и 5шатунных шеек.
20. Для чего предназначена нижняя головка шатуна с крышкой?
а) для соединения шатуна с поршнем
б) для соединения шатуна с коленчатым валом
в) для соединения шатуна с поршневым пальцем.
Критерии оценок тестирования:
Оценка «отлично» 18-20 правильных ответов из 20 предложенных вопросов;
Оценка «хорошо» 14-17 правильных ответов из 20 предложенных вопросов;
Оценка «удовлетворительно» 10-13 правильных ответов из 20 предложенных вопросов;
Оценка неудовлетворительно» 0-9 правильных ответов из 20 предложенных вопросов.
Список литературы
Кузнецов А.С. Техническое обслуживание и ремонт автомобилей: в 2 ч. – учебник для нач. проф. образования / А.С. Кузнецов. — М.: Издательский центр «Академия», 2012.
Кузнецов А.С. Слесарь по ремонту автомобилей (моторист): учеб. пособие для нач. проф. образования / А.С. Кузнецов. – 8-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2013.
Автомеханик / сост. А.А. Ханников. – 2-е изд. – Минск: Современная школа, 2010.
Виноградов В.М. Техническое обслуживание и ремонт автомобилей: Основные и вспомогательные технологические процессы: Лабораторный практикум: учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования / В.М. Виноградов, О.В. Храмцова. – 3-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2012.
Петросов В.В. Ремонт автомобилей и двигателей: Учебник для студ. Учреждений сред. Проф. Образования / В.В. Петросов. – М.: Издательский центр «Академия», 2005.
Карагодин В.И. Ремонт автомобилей и двигателей: Учебник для студ. Учреждений сред. Проф. Образования / В.И. Карагодин, Н.Н. Митрохин. – 3-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2005.
Коробейчик А.В. к-68 Ремонт автомобилей / Серия «Библиотека автомобилиста». Ростов н/Д: «Феникс», 2004.
Коробейчик А.В. К-66 Ремонт автомобилей. Практический курс / Серия «Библиотека автомобилиста». – Ростов н/Д: «Феникс», 2004.
Чумаченко Ю.Т., Рассанов Б.Б. Автомобильный практикум: Учебное пособие к выполнению лабораторно-практических работ. Изд. 2-е, доп. – Ростов н/Д: Феникс, 2003.
Слон Ю.М. С-48 Автомеханик / Серия «Учебники, учебные пособия». – Ростов н/Д: «Феникс», 2003.
Жолобов Л.А., Конаков А.М. Ж-79 Устройство и техническое обслуживание автомобилей категорий «В» и «С» на примере ВАЗ-2110, ЗИЛ-5301 «Бычок». Серия «Библиотека автомобилиста». – Ростов-на-Дону: «Феникс», 2002.