Имало едно време бутала (2-ра част)

(продължение)

При най-популярната конфигурация R4 (редови четирицилиндров двигател) остават свободни инерционните сили от втори порядък. Те могат да се уравновесят само с балансиращ вал. Понеже действат с удвоена честота, валът трябва да се върти с двойно по-висока скорост. Той обаче освобождава своя въртящ момент, който също се нуждае от уравновесяване. За целта се монтира втори балансиращ вал, който се върти в противиоположна посока. Такова решение излиза скъпичко, но пък очевидно си струва, тъй като се прилага масово от производители като Mitsubishi, Saab, Ford, FIAT и различните марки под шапката на VAG.

Четирицилиндровият боксер е уравновесен по-добре от редовия. При него свободен остава само моментът от инерционните сили от втори порядък, който се стреми да завърти двигателя около вертикалната му ос. Без балансиращи валове обаче минават и опозитните мотори с четири цилиндъра на легендарната Костенурка на Volkswagen, и знаменитите боксери на Subaru.

Редовите петцилиндрови двигатели не се представят особено добре като степен на уравновесеност. Инерционните сили се компенсират, но въртящият момент от тях остава свободен. Докато работят, през петаците постоянно преминава вълна от кривящи сили, което обяснява защо повечето от тях са подсигурени с доста масивни блокове. Mercedes-Benz, Audi и Volvo се справят с вибрациите посредством усъвършенстване на окачването на силовия агрегат или чрез добавянето на специални противотежести (например при турбопетака 2.5 TFSi на Audi TT RS). Само инженерите на FIAT прибягват до балансиращ вал, който уравновесява всички свободни моменти.

Практически всички петцилиндрови мотори са проектирани по пътя на прибавянето на допълнителен цилиндър към вече съществуващи чецирицилиндрови разработки - подобно на кубче от детски конструктор. Причината да се избере този подход е съвсем проста - така се получава по-мощен двигател с минимални производствени и конструктивни разходи. Ето защо повечето "карантии" на такъв двигател могат да се вземат от четирицилиндровия му предтеча - бутала, мотовилки, клапани и т.н. Различни са само блокът, главата и, разбира се, коляновият вал, чиито колена са разположени под специфичния ъгъл от 72 градуса.

Както вече стана ясно, шестцилиндровите редови двигатели са образец за уравновесеност. При V-образните им роднини обаче ситуацията съвсем не стои така, тъй като на практика представляват два трицилиндрови агрегата с един колянов вал. Това кара инженерите на Mercedes-Benz да прибегнат до услугите на балансиращ вал още при първия V6, който конструират - M112 (най-ранният едросериен двигател с такава конфигурация е създаден от Lancia през 1950 г., иначе американската компания Marmon създава подобен агрегат още през 1905-а). При трилитровия V-образен "шестак" на PSA от края на 80-те такъв вал е монтиран в едната от главите. Конструкторите на други мотори V6 от онези години пробват да не усложняват конструкцията и се стараят да гасят вибрациите по пътя на усъвършенстване на окачването и хитроумно разположение на шийките на коляновия вал (например Audi).

V-образните шестцилиндрови двигатели имат и друга особеност. Когато ъгълът между блоковете е 90 градуса, не може да се постигне равномерна последователност на запалването в цилиндрите. Възникващата "аритмия" се компенсира с помощта на по-тежък маховик, макар че успокояващият ефект е само частичен.

Двигателите V8 с 90-градусов ъгъл между цилиндрите и лежащи в перпендикулярни плоскости шийки на коляновия вал са уравновесени доста добре. Равномерната последователност на запалването в цилиндрите в такива мотори също способства за плавността на хода им. Неуравновесени остават само два въртящи момента, които могат да се "угасят" посредством противотежести в двата края на коляновия вал. Ето едно вероятно обяснение на любовта на американците към V-образните осмаци. Още от време оно янките не понасят вибриращите и тресящите се каросерии.

Историята на двигателостроенето помни и доста необичайни конфигурации. Един от тези "чешити" е V-образният четирцилиндров агрегат. Lancia произвежда цяла серия подобни мотори с малък ъгъл между цилиндрите от 20-те до 60-те години на миналия век. Европийските поделения на Ford в Англия и Германия също оборудват немалка част от моделите си с такива двигатели. Немският Taunus V4 се монтира и на Saab 96, а по-късно става основа за V-образната серия шестаци Cologne с обем от 1.8 до 4.0 литра. С четири цилиндъра, разположени във формата на буквата V, разполага и чудото на украинското автомобилостроене "Запорожец". В ЗАЗ даже снабдяват мотора си с въздушно охлаждане с балансиращ вал, за да уравновесят инерционните сили от първи порядък. Като цяло обаче конструкторите далеч не избират такава конфигурация заради спокойния ход, а от стремеж към компактност и икономичност.

В началото на новия век имаше бум на десетцилиндровите V-образни двигатели. Първият съвременен мотор с такава конфигурация обаче се появи в сериен автомобил още през 1992-ра, доста преди към въпросната схема да посегнат производителите на суперкари или свръхмощни седани като BMW M5 и Audi S/RS6. За съжаление Dodge Viper с неговия колосален V10 вече е история, а цените на петрола карат и европейците да "свиват перките". Иначе като степен на уравновесеност десетаците спокойно могат да се приравнят към 5-цилиндровите редови агрегати. Последното, за което мислят конструкторите от Формула 1 и инженерите на цивилни чудовища като гореспоменаните, са вибрациите.

Останалите типове конфигурации също могат да бъдат охарактеризирани с особеностите на по-компактните им първообрази. Осемцилиндровият боксер (например при състезателния болид Porsche 917) всъщност представлява два редови четирицилиндрови мотора, работещи с общ колянов вал. V-образните и опозитните дванайсетаци пък могат да бъдат сведни до чифт редови шестаци.

Съвсем различна порода са т.нар. "смесени" схеми. Те представляват V-образни агрегати с много малък ъгъл между цилиндрите и с изключение на Lancia в миналото никак не са любими на конструкторите. Уравновесяват се много трудно, а ползата от компактността им в онези години не се цени до такава степен. Времената обаче се менят. От една страна започва масово използване на хидравлични опори за двигателя, които гасят успешно много от вибрациите, а от друга пространството под предния капак става все по-оскъдно. Надали някой през 70-те си е представял скромен градски хечбек с шестцилиндов 2.8-литров мотор, докато след Golf VR6 от третото поколение всичко изглежда възможно. “V-образният редови” агрегат на Volkwagen се превърна в следващата стъпка в развитието на двигателите с вътрешно горене. При него ъгълът между цилиндрите е още по-малък, отколкото при накогашните "ланчи" - едва 15 градуса. Резултатът е шестак, който е по-компактен от V6 и при това има само един блок. По-късно от VR6 се пръкна петцилиндрова модификация, а след това под командите на Фердинанд Пиех конструкторите на VAG сякаш приеха свръхдоза забранени инженерни стимуланти.

През 1998 г. дебютира W12, съставен от два VR6 под ъгъл 72 градуса. Преди него в серийно производство влезе осемцилиндрова W-образна разновидност, монтирана на Passat. Тя също бе съставена от два VR6, но с по два "отрязани" цилиндъра от всеки. След придобиването на Bugatti във Фолфсбург стигнаха дори до 18-цилиндрова конфигурация, която стигна до серийно производство в "посъкратения" формат W16 с четири турбокомпресора за Veyron.

Защо в миналото няма подобни двигатели? Достатъчно е да се погледне коляновият вал на W12. Видът му може да докара кошмари на всеки технолог. Подобна инженерна вакханалия може да се създаде само с помощта на достатъчно бърз компютър. Да се изчислят всички варианти на ъгъла между блоковете, разположението на шийките на вала, последователността на запалването в цилиндрите и да се избере най-уравновесеният вариант е по силите само на машина.

Както личи от всичко дотук, равномерният ход и идеалният баланс далеч не са първа грижа на съвременните двигателостроители. Основен приоритет си остава създаването на двигател, който да отговаря на конкректни условия за даден автомобил и да притежава оптимално съотношение между тегло, размери и мощност. Днешните мотори все по-често се констриурат на модулен принцип. Той може да се обясни най-просто с проектирането на цилиндрова група, която служи за съставянето на различни конфигурации - от R3 до W12. След Volkswagen такава система възприемат все повече производители. Най-новата гама от двигатели на Mercedes-Benz онагледява отлично тази тенденция.

Колкото до вибрациите... Съществува разлика между теоретичната и действителната уравновесеност на даден мотор. Ако коляновият вал и маховикът не са балансирани идеално, а буталата и мотовилките не тежат еднакво, дори редови шестак ще се тресе неудържимо. Реалната уравновесеност по правило е значително по-лоша от теоретичната, защото винаги съществуват отклонения в размерите на детайлите от номинала заради деформации от натоварванията. В крайна сметка вибрациите все някак намират начини да се освободят, каквито и усилия за озаптяването им да полагат инженерите. Затова производителите отделят такова внимание на окачването на силовите агрегати. Неговата конструкция и разположение на опорите са не по-маловажен фактор от избора на конкретна конфигурация на двигателя.