Реферат на тему «Особенности конструкций V-образных двигателей»

Введение

V-образным называют поршневой двигатель, у которого цилиндры расположены в два ряда, а ряды сходятся под углом к общему коленчатому валу. Если смотреть на такой мотор с торца, он напоминает латинскую букву V, отсюда и название. Схема известна с конца XIX века: двухцилиндровый V-образный двигатель Готлиба Даймлера работал уже в 1889 году, а в XX веке такие моторы ставили на мотоциклы, легковые и грузовые автомобили, самолёты и танки.

Интерес к теме держится не на истории, а на том, что V-образная компоновка до сих пор остаётся основной для двигателей с шестью и более цилиндрами. Рядный восьмицилиндровый мотор слишком длинный, чтобы поместиться под капотом поперёк или даже вдоль, а V8 при том же рабочем объёме почти вдвое короче. Отдельный случай составляют узкоугольные VR-двигатели концерна Volkswagen, у которых угол между рядами так мал, что оба ряда закрыты одной головкой блока. О них часто спрашивают в запросах вида «VR-образный двигатель», и в реферате им отведён отдельный подпункт.

Цель реферата состоит в том, чтобы описать конструктивные особенности V-образных двигателей и показать, от чего зависят их размеры, уравновешенность и плавность работы. Для этого в первой главе разобраны блок цилиндров, угол развала, кривошипно-шатунный механизм и устройство VR-двигателей. Вторая глава посвящена уравновешиванию сил инерции, газораспределению и сравнению достоинств и недостатков схемы. Материалом служат учебники по теории и конструированию двигателей внутреннего сгорания и технические описания серийных моторов.

Глава 1. Устройство и компоновка V-образного двигателя

1.1 Блок цилиндров и угол развала

Основу двигателя составляет блок цилиндров, в котором расточены два ряда гильз. Каждый ряд закрыт своей головкой, а между рядами остаётся пространство, которое конструкторы называют развалом. Угол между осями цилиндров левого и правого ряда тоже называют углом развала, и от него зависит почти всё остальное: ширина и высота мотора, порядок работы цилиндров, нагрузки на опоры и место для впускного коллектора.

Выбор угла подчиняется простому правилу. В четырёхтактном двигателе коленчатый вал за рабочий цикл делает два оборота, то есть поворачивается на 720°, и для равномерной работы вспышки в цилиндрах должны следовать через равные промежутки, равные 720°, делённым на число цилиндров. Если угол развала совпадает с этим интервалом или кратен ему, коленчатый вал получается простым, с общей шейкой для двух шатунов. Поэтому у V8 чаще всего встречается угол 90°, а у V12 и классического V6 угол 60°.

Отступить от правила можно, но за это приходится платить усложнением вала. Шестицилиндровые моторы с углом 90° появились потому, что их удобно было делать на одной оснастке с V8, как поступили, например, на Ярославском моторном заводе с дизелями ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238. Чтобы такой V6 работал ровно, шатунные шейки соседних цилиндров разносят на 30°, и вал получается со смещёнными, или расщеплёнными, шейками. Типичные углы развала и примеры двигателей сведены в таблицу 1.

Таблица 1 — Типичные углы развала V-образных двигателей

Из таблицы видно, что угол развала нельзя назвать произвольной величиной: он почти всегда привязан к числу цилиндров и к тому, какой коленчатый вал завод может изготовить. Широкий развал делает мотор низким, что удобно для спортивных и гоночных машин, но увеличивает ширину. Узкий развал, наоборот, позволяет вписать двигатель в тесный моторный отсек, но ухудшает уравновешенность и оставляет мало места для впускной системы между рядами.

Крайний случай широкого развала представляет угол 180°, при котором ряды лежат горизонтально друг напротив друга. Формально такой мотор тоже можно считать V-образным, если противолежащие шатуны сидят на общей шейке, однако на практике чаще строят оппозитные двигатели, где у каждого цилиндра своя шейка и поршни движутся навстречу друг другу. Такую схему применяют Porsche и Subaru, и в учебной литературе её обычно рассматривают отдельно от V-образной.

1.2 Кривошипно-шатунный механизм

Главная конструктивная особенность V-образного двигателя заключается в том, что на одну шатунную шейку коленчатого вала работают сразу два цилиндра, по одному из каждого ряда. Это сокращает число шеек и коренных опор вдвое по сравнению с рядным мотором того же числа цилиндров, отчего вал выходит коротким и жёстким. Так, у восьмицилиндрового V-образного двигателя четыре шатунные шейки и пять коренных опор, а у рядного восьмицилиндрового их было бы восемь и девять.

Соединить два шатуна с одной шейкой можно тремя способами. Чаще всего шатуны ставят рядом друг с другом, и тогда левый ряд цилиндров оказывается сдвинут относительно правого на толщину нижней головки шатуна; такая схема применяется в большинстве автомобильных моторов, в том числе в ЗИЛ-130 и КамАЗ-740. Второй способ, вильчатый, использовали Harley-Davidson и ряд авиационных двигателей: один шатун охватывает шейку вилкой, а второй работает между её щёк, благодаря чему ряды стоят точно напротив друг друга. Третий способ основан на главном и прицепном шатунах, когда второй шатун крепится пальцем к головке первого.

Схему с главным и прицепным шатунами можно увидеть на советском танковом дизеле В-2, который ставили на Т-34 и КВ. Это двенадцатицилиндровый мотор с углом развала 60°, рабочим объёмом около 38,9 л и мощностью 500 л. с. в танковом исполнении. Прицепной шатун позволял сделать блок короче, однако поршни главного и прицепного шатунов двигались по немного разным законам, и это приходилось учитывать при расчёте степени сжатия и уравновешивания.

Форма коленчатого вала у V8 бывает двух видов. Крестообразный вал, у которого кривошипы при взгляде с торца образуют крест, даёт хорошую уравновешенность и мягкий ход, поэтому его ставят почти на все серийные легковые и грузовые V8. Плоский вал с кривошипами в одной плоскости легче и позволяет мотору быстрее набирать обороты, но оставляет неуравновешенными силы инерции второго порядка и вызывает заметную вибрацию; его выбирают для спортивных машин, где важнее отклик на педаль, чем комфорт.

Насколько часто происходят рабочие ходы при разном числе цилиндров, показано на рисунке 1. Чем меньше интервал между вспышками, тем ровнее крутящий момент на валу и тем легче может быть маховик. Отсюда понятно, почему многоцилиндровые V-образные моторы ценились там, где нужна плавность: в представительских автомобилях, авиации и на тяжёлой технике.

1.3 Узкоугольные VR-двигатели

Двигатель VR6 концерн Volkswagen выпустил в 1991 году для моделей Passat и Corrado. Обозначение складывается из немецких слов V-Motor и Reihenmotor, то есть V-образный и рядный, и точно отражает суть конструкции. Угол развала у первых VR6 составлял всего 15°, а у поздних версий объёмом 3,2 и 3,6 л его уменьшили до 10,6°. При таком угле цилиндры двух рядов стоят в шахматном порядке и умещаются в одном блоке, который по ширине ненамного больше блока рядного четырёхцилиндрового мотора.

Поскольку ряды расположены почти вплотную, их накрывает одна общая головка, и в ней работает один комплект распределительных валов для всех цилиндров. Длина впускных и выпускных каналов у двух рядов получается разной, и это одна из трудностей, которые пришлось решать при доводке. Зато шестицилиндровый двигатель удалось поставить поперёк в моторный отсек, рассчитанный на четыре цилиндра, а это было главной целью разработки.

Идея узкого развала старше самого VR6. Ещё в 1920-х годах фирма Lancia ставила на модель Lambda четырёхцилиндровый V-образный мотор с углом развала около 13°, а позднее похожие двигатели получили модели Aurelia и Fulvia. Volkswagen развил ту же мысль дальше: соединив два VR-блока на общем коленчатом валу, конструкторы получили W-образные двигатели W8, W12 и W16. Последний, с четырьмя турбокомпрессорами, устанавливали на Bugatti Veyron. Как узкий развал сказывается на уравновешенности и почему VR6 не стал массовой схемой, разобрано во второй главе.