Рядный шестицилиндровый двигатель давно считается одной из самых плавных архитектур поршневого ДВС. Причина заключается не просто в том, что цилиндров шесть, а в том, как именно расположены кривошипы коленчатого вала и организовано движение поршней. В классической рядной «шестерке» инерционные силы, возникающие при перемещении поршней и шатунов, складываются таким образом, что значительная часть из них компенсируется непосредственно геометрией двигателя.

Поэтому такому мотору не нужны балансирные валы для компенсации основных сил инерции, которые характерны для некоторых других конструкций. Однако называть его абсолютно лишённым вибраций было бы неправильно. Инженеры говорят об уравновешенности определённых сил и моментов, а не о способности двигателя полностью исключить любые колебания.

Почему двигатель вообще начинает вибрировать

Поршень в работающем моторе непрерывно меняет направление движения. Он разгоняется от верхней мёртвой точки к нижней, останавливается, после чего снова ускоряется в противоположную сторону. Вместе с ним перемещается часть шатуна, поэтому возвратно-поступательные детали создают инерционные силы.

На больших оборотах ускорения этих деталей становятся очень значительными. Чем выше частота вращения коленчатого вала и чем больше масса движущихся элементов, тем сильнее становятся соответствующие силы.

На первый взгляд можно было бы представить движение поршня как простое равномерное перемещение по синусоиде. Но реальный кривошипно-шатунный механизм работает сложнее. Шатун соединяет поршень с шатунной шейкой коленвала и во время вращения постоянно меняет угол относительно цилиндра.

Из-за этого поршень проходит верхнюю и нижнюю части хода не совершенно симметрично. Его скорость и ускорение в разные моменты отличаются от идеального синусоидального закона, и именно здесь появляются составляющие инерционных сил разных порядков.

Для автомобильных двигателей особенно важны две из них:

• силы первого порядка изменяются с частотой вращения коленчатого вала;
• силы второго порядка возникают вследствие геометрии кривошипно-шатунного механизма и имеют удвоенную частоту относительно оборотов коленвала.

Хорошо знакомый пример — рядный четырёхцилиндровый двигатель. Когда два его поршня движутся вверх, два других идут вниз, поэтому первичные силы во многом взаимно компенсируются. Но вторичные составляющие полностью не исчезают, и на повышенных оборотах характерные вибрации становятся заметнее.

Именно поэтому для некоторых рядных «четвёрок» применяют балансирные валы. Они создают дополнительные силы, предназначенные для компенсации тех составляющих, которые сама кинематика двигателя убрать не способна.

Что меняется, когда цилиндров становится шесть

У классической рядной «шестерки» шесть цилиндров расположены последовательно вдоль одной линии, а кривошипы коленчатого вала имеют строго определённое взаимное положение. Для анализа движения их удобно рассматривать как три пары: первый и шестой цилиндры, второй и пятый, третий и четвёртый.

Поршни внутри каждой пары находятся в одинаковой фазе движения, тогда как разные пары смещены относительно друг друга. В четырёхтактном двигателе полный цикл занимает 720 градусов вращения коленчатого вала, а при шести цилиндрах рабочие импульсы при равномерном порядке воспламенения следуют через каждые 120 градусов.

Но равномерность рабочих тактов — только часть объяснения плавности. Главное преимущество находится в балансе возвратно-поступательно движущихся масс.

Такое расположение кривошипов позволяет организовать движение поршней так, что первичные и вторичные свободные силы взаимно компенсируются. Причём на этом балансировка не заканчивается: симметричная конструкция позволяет компенсировать и соответствующие свободные моменты.

Последний момент особенно важен. Даже если две одинаковые силы направлены в противоположные стороны и в сумме дают ноль, они всё равно могут создать вращающий момент, если приложены в разных точках двигателя. Представьте две силы, действующие на концах длинного корпуса: их результирующая равна нулю, но конструкция всё равно получает тенденцию к раскачиванию.

У классической рядной «шестерки» расположение цилиндров и кривошипов относительно середины двигателя подобрано таким образом, чтобы минимизировать и эти моменты. Именно совокупность компенсации сил и моментов объясняет её репутацию исключительно плавного двигателя.

Почему шестерке не нужны балансирные валы

Рядная «шестерка» и рядная «четвёрка» отличаются не только двумя дополнительными цилиндрами. У них принципиально разная кинематика, а значит, различаются и условия уравновешивания.

У четырёхцилиндрового мотора первичные силы могут взаимно компенсироваться за счёт встречного движения поршней. Однако вторичные силы остаются. Чем выше обороты и чем больше масса поршней и шатунов, тем заметнее их воздействие.

Конструкторы борются с ними сразу несколькими способами: уменьшают массу возвратно-поступательных деталей, оптимизируют их геометрию, подбирают характеристики опор двигателя, а в некоторых случаях добавляют балансирные механизмы.

У рядной «шестерки» значительная часть этой работы выполняется самой архитектурой двигателя. Шесть кривошипов позволяют естественным образом уравновесить основные инерционные составляющие, поэтому отдельные балансирные валы для этой задачи не требуются.

Это даёт вполне конкретное инженерное преимущество. Балансирный механизм занимает пространство, добавляет массу, требует привода и становится ещё одним механическим узлом, который необходимо проектировать и обслуживать. Если нужная степень уравновешенности достигается самой конструкцией коленчатого механизма, дополнительная система компенсации не нужна.

Почему «идеально сбалансированный» не означает отсутствие вибраций

Здесь важно не попасть в ловушку популярного определения. Рядная «шестерка» действительно обладает очень высокой степенью механической уравновешенности, но это не означает, что её коленчатый вал абсолютно неподвижен относительно всех возможных колебаний.

Одна из причин — неравномерность крутящего момента. Давление в цилиндрах меняется на протяжении рабочего цикла, а полезная работа передаётся коленчатому валу отдельными импульсами. Поэтому сам вал испытывает крутильные колебания, для борьбы с которыми используются его конструкция, маховик, демпфирующие элементы и другие решения.

Кроме того, двигатель представляет собой сложную систему, в которой работает множество дополнительных механизмов. В неё входят клапанный механизм, привод ГРМ, масляный и водяной насосы, генератор, компрессор кондиционера и другие агрегаты. Каждый из них способен вносить собственные колебания.

Наконец, реальный двигатель никогда не существует в математически идеальном мире. Детали имеют производственные допуски, коленчатый вал и блок обладают определённой упругостью, а характеристики опор влияют на передачу колебаний на кузов.

Свою роль играет и процесс сгорания. Давление в цилиндрах не может быть абсолютно одинаковым при любых условиях. Пропуск воспламенения, неисправность форсунки, проблемы с зажиганием или снижение компрессии способны вызвать заметную вибрацию даже у двигателя с превосходной базовой балансировкой.

Поэтому точнее говорить так: рядная «шестерка» обладает очень высокой уравновешенностью основных инерционных сил и моментов, но не является двигателем, в котором физически отсутствуют любые колебания.

Откуда берётся ощущение непрерывной работы

Хорошая балансировка напрямую влияет на характер двигателя. Когда крупные инерционные силы уже компенсированы самой архитектурой, конструкторам не приходится дополнительно бороться с ними с помощью балансирных механизмов или чрезмерно изолировать двигатель от кузова.

К этому добавляется равномерная последовательность рабочих импульсов. За два оборота коленчатого вала шесть цилиндров обеспечивают шесть рабочих тактов, а между ними выдерживается одинаковый интервал в 120 градусов.

В результате двигатель очень равномерно набирает обороты и способен создавать ощущение практически непрерывной тяги. Именно сочетание механической уравновешенности и равномерного чередования рабочих импульсов сформировало репутацию рядной «шестерки» как особенно плавной архитектуры.

Современная электроника и новые конструкции опор позволяют сделать комфортными практически любые распространённые схемы двигателей. Но исходная механическая сбалансированность рядной шестицилиндровой конструкции по-прежнему остаётся её важным преимуществом.

Почему рядные шестерки не ставят во все автомобили

У этой архитектуры есть и существенный недостаток, который хорошо виден уже при взгляде на двигатель сверху. Шесть цилиндров, расположенных в один ряд, формируют длинный силовой агрегат.

Для поперечного размещения в обычном легковом автомобиле такой мотор подходит плохо. Поэтому рядные шестицилиндровые двигатели традиционно хорошо сочетаются с продольной установкой, когда мотор размещён вдоль автомобиля.

Большая длина создаёт дополнительные инженерные задачи. Увеличивается длина коленчатого вала, а значит, приходится внимательно работать с его жёсткостью и крутильными колебаниями. Меняются требования к конструкции блока, охлаждению, впускной и выпускной системам, а также к размещению навесного оборудования.

Более компактной альтернативой становится V6. При том же количестве цилиндров он значительно короче и поэтому удобнее для автомобилей с ограниченным пространством под капотом. Но сама надпись V6 ещё ничего не говорит об уровне вибраций: результат зависит от угла развала цилиндров, конструкции коленчатого вала и других инженерных решений.

В итоге архитектура двигателя всегда оказывается компромиссом. Рядная «шестерка» получает выдающуюся механическую уравновешенность и плавность, но платит за это увеличенной длиной. V6 позволяет выиграть пространство, однако требует более сложного подхода к балансировке.

Именно поэтому рядный шестицилиндровый двигатель остаётся интересным примером того, как правильно выбранная геометрия способна решить проблему вибраций ещё на уровне конструкции, не заставляя инженеров добавлять отдельный механизм для компенсации основных инерционных сил.

Читайте ещё материалы:

• Почему ржавеют тормозные диски и опасно ли это
• Как сделать лобовое стекло идеально чистым
• Почему в 22 штатах США нет переднего номера