Имало едно време бутала

С развитието на технологиите в последните години песента на добрия стар двигател с вътрешно горене изглежда изпята. Усъвършенстването на акумулаторните батерии и все по-високите цени на намаляващия нефт също допринасят са написването на некролога му. Буталните мотори обаче няма да се предадат толкова лесно напук на всички прогнози. Най-малко защото далеч не навсякъде по света автомобилистите са толкова богати, че да могат да си позволят новото. Много от тях пък откровено презират екологичните, но и скучновати електрически возила. При тях просто липсва експлозията - в пряк и преносен смисъл - която заразява любителите на високите скорости още в края на 19 век.

В онези бурни години конструкторската мисъл не знае граници. Двигатели с работен обем 10 литра могат да са както редови осмаци, така и едноцилиндрови мастодонти. Никой не се впечатлява от шестаци с кубатура от 23 литра или седемцилиндрови звездообразни мотори от самолет. Само че с времето мощността и оборотите започват да растат главоломно, а борбата за снижаване на себестойността на агрегатите се ожесточава. Простичкият автомобилен двигател с едно бутало отдавна е в историята. Днес средният работен обем на цилиндъра е между 300 и 600 куб.см. Литровата мощност варира от 35 к.с./л за най-допотопните дизелови мотори с атмосферно пълнене до 100-ина коня на литър за форсираните бензинови агрегати без нагнетател. За едросериен двигател тази цифра се смята за оптимална граница, чието надхвърляне просто не е изгодно.

В огромна част от съвременните двигатели за 100 к.с. обикновено са достатъчти четири цилиндъра, за 200 - четири, пет или шест, за 300 - осем и т.н. Как обаче да бъдат разположени техните бутала? Разнообразието от конфигурации за многоцилиндрови мотори е пребогато.

Конструкторите обикновено се вълнуват най-вече от въпроса за компактността на избраната схема. Опростяването на конструкцията означава по-евтино производство и по-лесна поддръжка. Най-добро съотношение между експлоатационни показатели и цена по съвременните стандарти дава четирицилиндровият редови мотор (R4), което обяснява широката му разпространеност в най-масовия клас автомобили с кубатура от 1.0 до 2.4 литра. Двуцилиндровите мотори са много по-евтини и прости, но се срещат все по-рядко, макар че в последните години се наблюдава засилване на интереса към тях. Заслуга за това имат съвременните системи за смесообразуване и турботехнологиите - например при FIAT 500.

Петцилиндровият мотор започва да се монтира на серийни автомобили относително късно. Първи го внедряват инженерите на Mercedes-Benz. Те монтират дизелов петак на W123 300D през 1974-та. Две години по-късно Audi започва производството на петцилиндров бензинов двигател с обем 2.0 литра.. В края на 80-те агрегати с такава конфигурация разработват Volvo и FIAT.

Дълги години редовият шестак е изключително популярен в Европа, но днес се смята за отмиращ вид. Осемцилиндровият му батко пък изчезва още през 30-те години на миналия век. Причината за това е съвсем проста. С увеличаването на броя на буталата нараства и дължината на агрегата, а това изобщо не се нрави на конструкторите. Да се монтира такъв мотор напречно на каросерията е доста сложно. Моделите са такава компоновка са единици. Сред малкото примери са британският Ausint Maxi 2200 от средата на 60-те (инженерите са принудени да "скрият" скоростната кутия под мотора) и Volvo S80 с неговата свръхкомпактна трансмисия.

Най-логичното решение на проблема с дължината на двигателя дава "разрязването" му на две и свързването на получените половини с общ колянов вал. Резултатът са V-образните агрегати. Най-често двата им блока са разположени под ъгъл 60 или 90 градуса. Когато буталата работят под ъгъл 180 градуса, двигателят се нарича опозитен (или боксер - с обозначение B2, B4, B6 и т.н.).

Независимо от ъгъла между двата блока, такива агрегати са по-сложни като конструкция. Задължително имат по две цилиндрови глави със съответните колектори, гарнитури, повече разпределителни валове и системи за задвижването им. Боксерите пък затрудняват инженерите и с широчината си. Това обяснява защо има толкова малко производители на опозитни мотори.

Конструкторите прибягват и до други хватки, за да намалят габаритите на V-образните двигатели. Едно от най-простите на пръв поглед решения е намаляването на ъгъла между блоковете. Подобни агрегати обаче са малко. През 70-те Lancia разработва V-образен 4-цилиндров мотор за Fulvia с ъгъл между цилиндрите от 23 градуса. При него обаче изпъква един от основните проблеми на такава конфигурация - вибрациите. Те са заложени в самата същност на двигателя с вътрешно горене. Той е така устроен, че не може да работии без сътресения. Вибрациите обаче могат да се гасят, при това не само за подобряване на комфорта. Силните неуравновесени колебания са фатални за много детайли от самия двигател.

Вибрациите се дължат на това, че гориво-въздушната смес не се запалва едновременно във всички цилиндри - особено при някои конфигурации на мотора. Конструкторите се стараят да избягват най-"нервните" от тях, а когато това е невъзможно, прибягват до помощта на по-масивни маховици. При движението на буталата нагоре-надолу в цилиндъра възникват инерционни сили, сходни с тези, които карат пътниците да се накланят напред при рязко спиране или да потъват в седалката при ускорение. Отгоре на всичко мотовилките на буталата съвсем не се местят в едно направление, а описват сложна траектория. Възвратно-постъпателното движение от горна до долна мътрва точка не може да се опише с проста синусоида.

Ето защо количеството и посоката на инерционните сили понякога се удвоява, утроява и дори учетворява в зависимост от честота на въртене на коляновия вал. Инерционните сили от т.нар. висш порядък по правило се пренебрегват. В сравнение с основната (която се категоризира като сила от първи порядък) те са прекалено слаби. Изключение правят инерционните сили от втори порядък, с които инженерите са принудени са се съобразяват. Проблемите обаче не свършват дотук. Когато две инерционни сили се прилагат на определено разстояние, възникват т.нар. моменти - например когато буталата в два съседни цилиндъра работят в противофаза, сиреч едно срещу друго.

Какво може да се направи, за да бъдат уравновесени силите и моментите? На първо място трябва да се избере конфигурация на двигателя, при която цилиндрите и колената на коляновия вал са разположени така, че силите и моментите да се гасят взаимно, като винаги действат в противоположни посоки. Ако компоновката на автомобила не позволява монтажа на такъв тип мотор, инженерите прибягват до различно разположение на шийките на коляновия вал и използването на противотежести, които да тушират възникващите инерционни сили и моменти. Понякога противотежестите се намират на самия колянов вал, а в други случаи се проектират допълнителни валове, наречени балансиращи. Те се въртят в противоположна посока на коляновия и гасят успешно вибрациите, но усложняват и оскъпяват двигателя. В таблицата най-долу са приведени примерни степени на уравновесеност според конфигурацията на мотора. Червените квадратчета показват при кои типове агрегати възникват сили и моменти, които остават неуравновесени (свободни) и се предават на каросерията на колата през опорните тампони на двигателя.

Достатъчен е един поглед, за да се установи, че сред най-разпространените конфигурации в съвременното автомобилостроене има само два напълно уравновесени типа мотори - шестаците с редово и опозитно разположение на цилиндрите. Лесно може да се разбере защо в BMW и Porsche толкова държат този тип агрегати, както всъщност и защо останалите производители са се отказали от тях.

Всяка от използваните днес схеми си има предимства и недостатъци. Най-простите с по два цилиндъра се използват с успех в бюджетното автомобилостроене. За достатъчно практична към днешна дата се смята само разновидността на тази конфигурация, при която двете шийки се намират от една и съща страна на коляновия вал. Веднага се вижда, че по степен на увавновесеност този вид мотори са сравними с едноцилиндровите, понеже двете бутала се движат нагоре-надолу в едновременно (синфазно). За да се уравновесят свободните сили от първи порядък, обикновено се монтират два вала с противотежести (напр. при Лада Ока). За гасенето на инерционните сили от втори порядък обаче би се наложил монтажът на още два балансиращи вала, което би било абсолютно неоправдано за двуцилиндров двигател, предназначен за евтини микролитражки.

В миналото инженерите подхождат още по-драстично и изобщо не предвиждат уравновесяващи валове. Двуцилиндровият FIAT 500 от 1957 г., например, няма никакви приспособления за гасене на вибрациите, но пък за сметка на това моторът му е пределно прост и евтин. Тези качества изкушават производителите дори днес. Същата схема се използва и за мотора на най-достъпния автомобил в света Tata Nano.

Двуцилиндровите двигатели, чиито бутала работят в противофаза, днес се срещат само при мотоциклетите. Те са по-добре уравновесени, но равномерната последователност на запалването в цилиндрите може да се постигне само с двутактов цикъл на работа. Подобни мотори се монтират на довоенните модели на DKW и прекия им наследник Trabant. С цел постигане на по-ниска цена и простота на обслужването при тях не са предвидени никакви балансиращи валове и подобни глезотии. На вибрациите просто не се обръща внимание.

Историята помни и наистина екзотични конфигурации. Съветският експериментален автомобил НАМИ-1 е оборудван с V-образен двуцилиндров двигател, какъвто днес се среща само при Harley-Davidson и хромираните му японски последователи. Подобен тип агрегати могат да бъдат уравновесени практически напълно с помощта на противотежести на коляновия вал, но не и да се постигне равномерна последователност на запалването в цилиндрите - за радост на всички истински рокери...

Трицилиндровите двигатели са по-зле уравновесени от "четворките", в което няма нищо чудно. Инженерите на компаниите, които продължават да ги произвеждат - например Subaru и Daihatsu, използват балансиращи валове за гасене на вибрациите. Някои конструктори обаче не си правят този труд. През 1996-а трицилиндровата модификация на Opel Corsa от второто поколение на модела понесе маса критики от немските журналисти заради неравномерната работа на мотора.

(продължение)