Рядный четырёхцилиндровый двигатель (также называемый рядным четырёхцилиндровым двигателем ) — четырёхцилиндровый поршневой двигатель , в котором цилиндры расположены в ряд вдоль общего коленчатого вала.
Большинство автомобильных четырехцилиндровых двигателей используют рядную четырехцилиндровую компоновку [1] : стр. 13–16 (за исключением оппозитных четырехцилиндровых двигателей, производимых Subaru и Porsche) [2] , и эта компоновка также очень распространена в мотоциклах и другой технике. Поэтому термин «четырехцилиндровый двигатель» обычно является синонимом рядных четырехцилиндровых двигателей. Когда рядный четырехцилиндровый двигатель установлен под наклоном (вместо того, чтобы цилиндры были ориентированы вертикально), его иногда называют наклонной четырехцилиндровой .
В период с 2005 по 2008 год доля новых автомобилей, проданных в США с четырехцилиндровыми двигателями, выросла с 30% до 47%. [3] [4] К 2020 модельному году доля легковых автомобилей выросла до 59%. [5]
Четырехтактный рядный четырехцилиндровый двигатель всегда имеет цилиндр на рабочем такте, в отличие от двигателей с меньшим количеством цилиндров, где в определенные моменты рабочий такт не происходит. По сравнению с двигателем V4 или плоским четырехцилиндровым двигателем , рядный четырехцилиндровый двигатель имеет только одну головку цилиндра , что снижает сложность и стоимость производства.
Рядные четырехцилиндровые бензиновые двигатели, используемые в современных серийных автомобилях, обычно имеют рабочий объем 1,3–2,5 л (79–153 куб. дюйма), но в прошлом использовались и более крупные двигатели, например, Bentley 4½ Litre 1927–1931 годов .
Дизельные двигатели выпускались с большим рабочим объемом, например, двигатель Mitsubishi с турбонаддувом объемом 3,2 л (использовался на внедорожниках Pajero/Shogun/Montero) и двигатель Toyota объемом 3,0 л. Европейские и азиатские грузовики с полной массой транспортного средства от 7,5 до 18 тонн обычно используют рядные четырехцилиндровые дизельные двигатели с рабочим объемом около 5 литров. [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] Более крупные рабочие объемы встречаются в локомотивных, судовых и стационарных двигателях.
Рабочий объем также может быть очень маленьким, как в кей-карах, продаваемых в Японии. Некоторые из этих двигателей имели четыре цилиндра в то время, когда правила предписывали максимальный рабочий объем 550 куб. см; максимальный размер в настоящее время составляет 660 куб. см.
Рядные четырехцилиндровые двигатели с предпочтительной конфигурацией коленчатого вала имеют идеальный первичный баланс . [1] : стр. 12 Это происходит потому, что поршни движутся парами, и одна пара поршней всегда движется вверх в то же время, когда другая пара движется вниз.
Однако рядные четырехцилиндровые двигатели имеют вторичный дисбаланс . Это вызвано тем, что ускорение/замедление поршней во время верхней половины вращения коленчатого вала больше, чем у поршней в нижней половине вращения коленчатого вала (потому что шатуны не бесконечно длинные). В результате два поршня всегда ускоряются быстрее в одном направлении, в то время как два других ускоряются медленнее в другом направлении, что приводит к вторичному динамическому дисбалансу, который вызывает вибрацию вверх-вниз на удвоенной скорости коленчатого вала. Этот дисбаланс распространен среди всех поршневых двигателей, но его эффект особенно силен в четырехтактных рядных четырехцилиндровых двигателях, поскольку два поршня всегда движутся вместе.
Сила этого дисбаланса определяется возвратно-поступательной массой, отношением длины шатуна к ходу и пиковой скоростью поршня. Поэтому двигатели с малым рабочим объемом и легкими поршнями показывают небольшой эффект, а гоночные двигатели используют длинные шатуны. Однако эффект растет квадратично с частотой вращения двигателя (об/мин).
Четырехтактные двигатели с пятью или более цилиндрами способны иметь по крайней мере один цилиндр, выполняющий свой рабочий ход в любой момент времени. Однако четырехцилиндровые двигатели имеют пробелы в подаче мощности, поскольку каждый цилиндр завершает свой рабочий ход до того, как следующий поршень начинает новый рабочий ход. Эта пульсирующая подача мощности приводит к большему количеству вибраций, чем двигатели с более чем четырьмя цилиндрами.
Система балансировочного вала иногда используется для снижения вибраций, создаваемых рядным четырехцилиндровым двигателем, чаще всего в двигателях с большим рабочим объемом. Система балансировочного вала была изобретена в 1911 году и состоит из двух валов, несущих идентичные эксцентриковые грузы, которые вращаются в противоположных направлениях со скоростью, в два раза превышающей скорость коленчатого вала. [1] : стр. 42–44 Эта система была запатентована Mitsubishi Motors в 1970-х годах и с тех пор использовалась по лицензии несколькими другими компаниями. [13] [14]
Однако не все двигатели с прямыми четырьмя цилиндрами и большим рабочим объемом использовали балансировочные валы. Примерами относительно больших двигателей без балансировочных валов являются двигатель Citroën DS объемом 2,4 л , двигатель Austin-Healey 100 объемом 2,6 л , двигатель Ford Model A (1927) объемом 3,3 л и двигатель GM Iron Duke объемом 2,5 л . Советские/российские двигатели ГАЗ «Волга» и УАЗ объемом до 2,9 л выпускались без балансировочных валов с 1950-х по 1990-е годы, однако это были относительно низкооборотистые двигатели, что снижало необходимость в системе балансировочных валов. [1] : стр. 40–44
Большинство современных рядных четырёхцилиндровых двигателей, используемых в автомобилях, имеют рабочий объём 1,5–2,5 л (92–153 куб. дюймов). Самый маленький автомобильный рядный четырёхцилиндровый двигатель использовался в грузовике Honda T360 kei 1963–1967 годов и имел рабочий объём 356 куб. см (21,7 куб. дюймов), в то время как самый большой серийный рядный четырёхцилиндровый автомобильный двигатель — это дизельный двигатель Mitsubishi 4M41 1999–2019 годов , который использовался в Mitsubishi Pajero и имел рабочий объём 3,2 л (195 куб. дюймов). [15] [16]
Наиболее значимые рядные четырехцилиндровые двигатели для легковых автомобилей включают в себя:
Многие ранние гоночные автомобили использовали рядные четырехцилиндровые двигатели, однако двигатель Peugeot, который выиграл Indianapolis 500 1913 года, был очень влиятельным двигателем. Разработанный Эрнестом Генри , этот двигатель имел два верхних распредвала (DOHC) с четырьмя клапанами на цилиндр, компоновка, которая стала стандартом до сегодняшнего дня для гоночных рядных четырехцилиндровых двигателей. [19] : стр. 14–17
Среди двигателей, вдохновленных конструкцией Peugeot, был двигатель Miller , который был успешным гоночным двигателем в 1920-х и начале 1930-х годов. Двигатель Miller эволюционировал в двигатель Offenhauser , который имел очень успешный период с 1933 по 1981 год, включая пять побед подряд на Indianapolis 500 с 1971 по 1976 год. [19] : стр. 182–185
Многие автомобили, выпущенные для гоночной категории voiturette Grand Prix до Второй мировой войны, использовали рядные четырехцилиндровые двигатели. 1,5-литровые двигатели с наддувом нашли свое применение в таких автомобилях, как Maserati 4CL и различных моделях English Racing Automobiles (ERA). Они были возрождены после войны и легли в основу того, что позже стало Формулой-1 , хотя рядные восьмицилиндровые Alfetta с наддувом доминировали в первые годы Формулы-1.
Другой двигатель, сыгравший важную роль в истории гонок, — рядный четырёхцилиндровый двигатель Ferrari, разработанный Аурелио Лампреди . Первоначально этот двигатель был разработан как 2-литровый двигатель Формулы 2 для Ferrari 500, но был модернизирован до 2,5 л для участия в Формуле 1 в Ferrari 625. [19] : стр. 78–81, 86–89 Для гонок на спортивных автомобилях объём был увеличен до 3,4 л для Ferrari 860 Monza.
Двигатель Coventry Climax с четырьмя рядами цилиндров также был очень успешным гоночным двигателем, который начал свою жизнь как 1,5-литровый двигатель Формулы 2. Увеличенный до 2,0 литров для Формулы 1 в 1958 году, он превратился в большой 2495-кубовый FPF, который выиграл чемпионат Формулы 1 на шасси Купера в 1959 и 1960 годах. [19] : стр. 130–133
В Формуле-1 1980-х годов доминировали 1500-кубовые автомобили с турбонаддувом. Двигатель BMW M12/13 был известен в ту эпоху своим высоким давлением наддува и производительностью. Чугунный блок был основан на стандартном дорожном автомобильном блоке и приводил в действие болиды Формулы-1 Brabham, Arrows и Benetton, выигравшие чемпионат мира в 1983 году. Версия двигателя 1986 года, как говорили, выдавала около 1300 л. с. (969 кВт) в квалификационной комплектации. [20]
Бельгийский производитель оружия FN Herstal , который производил мотоциклы с 1901 года, начал производить первые мотоциклы с рядными четверками в 1905 году. [21] У FN Four двигатель был установлен вертикально, а коленвал — продольно . Другие производители, которые использовали эту компоновку, включали Pierce , Henderson , Ace , Cleveland и Indian в Соединенных Штатах, Nimbus в Дании, Windhoff в Германии и Wilkinson в Соединенном Королевстве. [22]
Первым мотоциклом с 4 цилиндрами, установленными поперек рамы, был гоночный Gilera 500 Rondine 1939 года выпуска , он также имел два верхних распредвала, принудительный нагнетатель и жидкостное охлаждение . [23] Современные рядные четырехцилиндровые мотоциклетные двигатели впервые стали популярными с появлением SOHC CB750 от Honda в 1969 году, а в 1970-х годах появились и другие. С тех пор рядный четырехцилиндровый двигатель стал одной из самых распространенных конфигураций двигателей в уличных мотоциклах. За пределами категории круизеров рядный четырехцилиндровый двигатель является наиболее распространенной конфигурацией из-за его относительно высокого соотношения производительности и стоимости. [ необходима цитата ] Все основные японские производители мотоциклов предлагают мотоциклы с рядными четырехцилиндровыми двигателями, как и MV Agusta и BMW . Ранние рядные четырехцилиндровые мотоциклы BMW устанавливались горизонтально вдоль рамы, но все современные четырехцилиндровые мотоциклы BMW имеют поперечно расположенные двигатели . Современная компания Triumph предлагала мотоциклы с рядными четырехцилиндровыми двигателями, хотя их выпуск был прекращен в пользу трехцилиндровых .
Yamaha R1 2009 года выпуска имеет рядный четырехцилиндровый двигатель, который не срабатывает с равными интервалами в 180°. Вместо этого он использует коленчатый вал с крестообразным расположением цилиндров , который не позволяет поршням одновременно достигать верхней мертвой точки. Это приводит к лучшему вторичному балансу , что особенно полезно в диапазоне высоких оборотов, а теория « порядка срабатывания большого взрыва » утверждает, что неравномерная подача крутящего момента на заднюю шину облегчает управление скольжением в поворотах на гоночных скоростях.
Рядные четырехцилиндровые двигатели также используются в MotoGP командами Suzuki (с 2015 года ) и Yamaha (с 2002 года ). В 2010 году , когда был представлен четырехтактный класс Moto2, двигателями для этого класса были рядные четырехцилиндровые двигатели объемом 600 куб. см (36,6 куб. дюймов), изготовленные Honda на базе CBR600RR с максимальной выходной мощностью 110 кВт (150 л. с.). Начиная с 2019 года двигатели были заменены трехцилиндровым двигателем Triumph объемом 765 куб. см (46,7 куб. дюймов) .
Рядные четырехцилиндровые двигатели также используются в легких коммерческих автомобилях, таких как Karsan Jest и Mercedes-Benz Sprinter .
Медиа, связанные с двигателями Straight-4 на Wikimedia Commons