Главная
Восьмицилиндровые двигатели — двигатели внутреннего сгорания, имеющие восемь цилиндров.
Рядный восьмицилиндровый двигатель
Рядный восьмицилиндровый двигатель — конфигурация двигателя внутреннего сгорания с рядным расположением восьми цилиндров, и поршнями, вращающими один общий коленчатый вал. Часто обозначается I8 или L8 (Straight-8, In-Line-Eight).
Является полностью сбалансированной конфигурацией двигателя. По сравнению с рядным шестицилиндровым двигателем I8 совершает больше рабочих циклов в единицу времени, и, как следствие, работает более плавно под нагрузкой и не создаёт дополнительных вибраций в трансмиссии автомобиля на малых оборотах.
Вследствие этого, а также — благодаря простоте изготовления относительно V8, в прошлом (1920-е — 1950-е годы) рядные восьмёрки часто применялись на спортивных и дорогостоящих легковых автомобилях, особенно в США. В довоенные годы варианты комплектации с такими двигателями имели практически все американские автомобили среднего и высшего классов, за исключением марок Cadillac, Mercury и Lincoln, которые традиционно использовали только V8. Модели Buick имели верхнеклапанные I8, остальные марки использовали схему с нижним расположением клапанов. Первым серийным автомобилем с двигателем этой конфигурации был Packard Straight Eight модели 1923 года. В СССР двигатель такой компоновки использовался на автомобилях высшего класса Л-1, ЗИС-101 и ЗИС-110.
Однако большая длина такого двигателя требует длинного моторного отсека, что делает I8 неприемлемым для современных легковых автомобилей. Кроме того, длинные коленчатый и распределительные валы подвержены дополнительным торсионным (на скручивание) нагрузкам, что существенно снижает их ресурс, а при увеличении числа оборотов двигателя выше определённого предела из-за деформации коленчатого вала возникает риск физического контакта между шатунами и стенками картера, что приводит к выходу двигателя из строя.
По этим причинам использование конфигурации L8 всегда сводилось к двигателям большого рабочего объёма с небольшими максимальными оборотами. В настоящее время на автомобилях этот тип двигателя практически полностью вытеснен менее сбалансированным, но намного более компактным и лучше поддающимся форсированию V8, однако рядные 8-цилиндровые двигатели продолжают использоваться на тепловозах, судах и в стационарных установках.
V-образный 8-цилиндровый двигатель
V-образный 8-цилиндровый двигатель — двигатель внутреннего сгорания с V-образным расположением восьми цилиндров двумя рядами по четыре, и поршнями, вращающими один общий коленчатый вал. Часто его обозначают как V8 (англ. «Vee-Eight», «Ви-Эйт»)
Общий обзор
V8 — конфигурация, часто используемая в автомобильных двигателях большого рабочего объёма. Редкие V8 обладают рабочим объёмом менее трёх литров. Максимальный же рабочий объём современных серийных V8 для легковых автомобилей достигает 13 литров (малосерийная Weineck Cobra 780 cui). Получивший широкое распространение российский дизель ЯМЗ-238 имеет рабочий объём 14,9 л. На крупных тракторах и грузовых автомобилях встречаются двигатели V8 рабочим объёмом до 24 л.
V8 также часто используется в высших эшелонах автоспорта, особенно в США, где он обязателен в IRL, ChampCar и NASCAR. В 2006 году Формула 1 перешла на использование безнаддувного двигателя V8 объёмом 2,4 литра взамен 3-литровых V10, с целью снижения мощности автомобилей.
V8 объёмом всего лишь 500 см³ использовался на гоночном мотоцикле Moto Guzzi V8 1955 года; позже количество цилиндров на гоночных мотоциклах было ограничено.
Технические особенности
V8 — несбалансированный двигатель; в простейшем случае он представляет собой два рядных четырёхцилиндровых двигателя с общим коленвалом. При этом шатуны противоположных цилиндров имеют общие шатунные шейки коленвала, число шатунных шеек — 4. При этом центральные кривошипы коленвала направлены в одну сторону, а пара крайних развёрнуты на 180° относительно средних. В данной конфигурации неуравновешена горизонтальная сила инерции 2-го порядка поршней и верхних частей шатунов, вызванная несинусоидальным движением поршней. Данная сила инерции порождает высокочастотную вибрацию, которая проявляется в виде гула в салоне автомобиля. Уравновешивание данной силы требует применения двух балансировочных валов, вращающихся в 2 раза быстрее коленвала, в разные стороны. Поэтому такая конфигурация, как правило, применяется на высокооборотных двигателях гоночных автомобилей, например, Ferrari, где требования к вибронагруженности не так важны. К тому же она позволяет максимально облегчить коленвал, а также (благодаря равномерным интервалам чередования вспышек в каждом отдельном ряде цилиндров) применить простую и эффективную настроенную систему выпуска отработавших газов. В результате этого достигается кривая крутящего момента, сдвинутая к 7000—8500 мин−1, а на оборотах ближе к низким двигатель «спит», а настроенный выпуск дает характерное «формульное», «металлическое» звучание. Угол развала, как правило, 90°, обеспечивающий равномерные интервалы поджига смеси без применения смещённых шатунных шеек коленвала.
Однако в дорожных автомобилях обычно применяют иную конфигурацию коленвала, так называемый крестообразный коленвал, у которого крайние шатунные шейки повёрнуты относительно средних на угол 90° и развёрнуты на 180° друг относительно друга (средние шейки также развёрнуты на 180°). Шатуны противоположных цилиндров при этом также имеют общие шатунные шейки. В таком двигателе силы инерции 2-го порядка уравновешиваются взаимным движением поршней, однако силы инерции 1-го порядка, вызванные возвратно-поступательным движением поршней, вызывают момент инерции, который можно полностью скомпенсировать дисбалансом коленвала, создаваемым массивными противовесами, расположенными на крайних щёках коленвала (иногда дополнительно применяют маховик и шкив с дисбалансом). Таким образом, при угле развала цилиндров 90° удаётся полностью сбалансировать двигатель без применения балансировочного вала. При углах развала цилиндров, отличных от 90°, дополнительно используют балансировочный вал, вращающийся со скоростью коленвала, но в противоположную сторону. В двигателях V8 с данной конфигурацией коленвала вспышки в каждом отдельном ряде цилиндров чередуются с неравномерными интервалами, однако в целом они чередуются равномерно. Очерёдность работы левого и правого рядов при этом такая: Л-П-Л-Л-П-Л-П-П. Данная особенность усложняет систему выпуска, а также является причиной характерного «бормотания», «бульканья». Для настроенного выхлопа требуется связать вместе выхлопные трубы от отдельных рядов цилиндров, в результате они напоминают пучок змей, как в Ford GT40. Такая сложная система выпуска отработавших газов была основной проблемой для конструкторов одноместных гоночных автомобилей. Также массивные противовесы, требующиеся для балансировки, утяжеляют коленвал и не позволяют быстро ускориться или замедлиться. По этой причине данная конфигурация обычно не применяется на спортивных автомобилях. Обычно для таких V8 характерно обилие крутящего момента на низких и средних оборотах, и при применении схемы газораспределения OHV двигатель не развивает более 6500 об/мин. Двигатели с такой характеристикой устанавливаются на американские автомобили. Так же, в наше время преимущественно пикапы и внедорожники, дорогие модели фирм Mercedes-Benz, Lexus с изменяемыми фазами газораспределения. Благодаря хорошей и ровной тяге такие моторы основную часть времени работают на небольших оборотах, что положительно сказывается на моторесурсе и акустическом комфорте. В паре с ними оптимально использование классической гидромеханической автоматической трансмиссии, так как потери в гидравлическом элементе при характерных для них значениях крутящего момента и небольших максимальных оборотах сравнительно невелики.
Углы развала
Наибольшее число производителей V8 использовали и используют угол развала в 90°. Серия тяжёлых среднеоборотных дизелей Д49, применяемых на тепловозах, судах, передвижных электростанциях, выполнена с прицепными шатунами одного ряда цилиндров и углом развала 42°, который эквивалентен углу развала 45° при использовании обычных шатунов.
Поскольку многие двигатели конфигураций V6 (например, ЯМЗ-236) и V10 были созданы на базе V8, они также часто имеют угол развала 90°.
В качестве примера двигателя с отличным от 90° углом развала можно взять Ford/Yamaha V8, используемый в автомобиле Ford Taurus SHO. Он был разработан на базе мотора Ford Duratec V6 и имеет общий с ним угол развала в 60°. В нём для уравновешивания момента 1-го порядка применён балансировочный вал, а также для обеспечения равномерных интервалов поджига смеси используются смещённые шатунные шейки коленвала. Одна из версий этого двигателя используется в автомобилях Volvo начиная с 2005 года.
В автомобилях Lamborghini используется угол развала 88°.
История
В 1902 году француз Леон Левавассер (фр. Léon Levavasseur) получил патент на двигатель Antoinette V8, производство которого было начато в 1904 году. Он устанавливался на малые суда и самолёты.
В 1905 году английская фирма Rolls-Royce построила 3 экземпляра модели V8 с двигателем рабочим объёмом 3536 см³. Так как полная мощность этого мотора позволяла превысить установленную тогдашним британским законодательством для «самобеглых колясок» максимальную скорость в 20 миль в час (32 км/ч), на него устанавливался ограничитель оборотов. Удалось продать лишь один автомобиль (шасси 40518), да и он вскоре был возвращён фирме-изготовителю и отправлен в металлолом. Остальные использовались для демонстрации и в качестве транспорта для посетителей фабрики. 1905 Rolls-Royce V8 — единственная модель фирмы, ни одного экземпляра которой не сохранилось до наших дней.
В 1910 году французский производитель De Dion-Bouton представил публике 7773-кубовый V8 для автомобиля. В 1912 году он был экспонатом выставки в Нью-Йорке, где вызвал неподдельный интерес у публики. И хотя сама фирма выпустила очень немного автомобилей с этим двигателем, в США идея V8 большого рабочего объёма «пустила корни» всерьёз и надолго. Правда, первый американский V8 разработала фирма Marmon ещё в 1904 году, но он был исключительно опытным и не предназначался для серийного производства.
Первым относительно массовым автомобилем с V8 стал Cadillac модели 1914 года. Двигатель имел объём 5429 см³ и был нижнеклапанным, в первый же год было выпущено порядка 13 тысяч «Кадиллаков» с этим двигателем. Oldsmobile, другое подразделение GM, в 1916 году выпустил собственный V8 объёмом 4 литра. Chevrolet начал выпуск 4,7-литровых V8 в 1917 году, но в 1918 году фирма была включена в состав GM на правах подразделения и сосредоточилась на выпуске экономичных «народных» автомобилей, которым по понятиям тех лет V8 не полагался, так что производство двигателя было прекращено.
В сегмент недорогих автомобилей V8 перенесла фирма Ford с её Model 18 (1932). Технической особенностью двигателя этого автомобиля был блок цилиндров в виде одной чугунной отливки. Это нововведение потребовало значительного усовершенствования технологии литья. Достаточно сказать, что до 1932 года создание подобного двигателя представлялось многим технически невозможным. V-образные двигатели тех лет имели отдельные от картера цилиндры, что делало их изготовление сложным и дорогостоящим. Двигатель модели 18 получил название Ford Flathead и выпускался в США до 1954 года, когда его сменил верхнеклапанный Ford Y-Block, а в Европе и Бразилии — до начала 1960-х (на грузовиках — до начала 1990-х). На других американских автомобилях этого ценового сегмента (Plymouth, Chevrolet) V8 появились лишь в пятидесятые годы.
Начиная с 1930-х — 1940-х годов двигатели конфигурации V8 получили в Северной Америке очень широкое распространение. Вплоть до 1980-х годов версии, оснащённые двигателями V8, имели североамериканские модели всех классов, кроме субкомпактов. В частности, на конец 1970-х годов, до 80 % выпущенных в США легковых автомобилей имели двигатель конфигурации V8. Поэтому двигатели V8, как правило, ассоциируются именно с североамериканской автомобильной промышленностью, значительная часть терминологии так же имеет американское происхождение. Именно V8, в частности, снабжались в 60-е и начале 70-х годов так называемые «маслкары».
По такой же схеме строились (и продолжают строиться) советские карбюраторные двигатели типа ЗМЗ-53А (66, 511, 513, 523 и т. д.) и ЗИЛ-130, а также легковые автомобилей «Чайка» и ЗИЛ, причём двигатели выпуска Заволжского завода имеют алюминиевые гильзованные блоки цилиндров и доведены до требований норм Евро 4 (5).
В Европе же в довоенные и первые послевоенные годы такими двигателями оснащали преимущественно автомобили высших классов, собираемые в мизерных количествах вручную. Например, Tatra T77 (1934—1938) имела 3,4-литровый V8 и была выпущена в количестве всего 249 единиц.
В 1950-е годы в производственной программе европейских производителей премиум-сегмента появляются серийные модели с V8, например, BMW 502 или Facel Vega Excellence (последняя имела американский двигатель производства Chrysler). Но и тогда, и впоследствии они оставались на европейских легковых автомобилях относительно редкой экзотикой. После нефтяного кризиса начала 70-х же, двигатели большого рабочего объёма в Европе вообще сильно потеряли спрос, и после этого V8 встречались лишь на самых дорогих комплектациях автомобилях таких производителей категории «премиум», как BMW или Mercedes.
Автомобили фирмы Bentley (и, до недавнего времени, Rolls-Royce) оснащались и продолжают оснащаться моторами V8 серии L (от L410 1959 года до современного L410HT, 6,2—6,75 л). Что интересно, среди современных бензиновых моторов — это один из самых низкооборотистых двигателей. Несмотря на двойной турбонаддув, мотор имеет «красную зону» при 4,5 тыс. оборотов в минуту и холостой ход немногим больше 500 об/мин (большая часть современных дизельных двигателей обладает намного большими «скоростями работы»). Несмотря на то, что мотору более 50 лет, разработчики и инженеры добились от мотора с глубоко консервативной схемой клапанного механизма OHV (верхние клапаны, нижний распредвал, привод толкателями) изменяемых фаз газораспределения путём установки распредвала сложной формы.