Оппозитный четырёхцилиндровый двигатель: цилиндры лежат горизонтально друг напротив друга, противолежащие поршни движутся навстречу и гасят силы инерции.
Как работает оппозитный двигатель: устройство и принцип работы
Как работает оппозитный двигатель: устройство по шагам
Цилиндры друг напротив друга
Два ряда по два цилиндра лежат горизонтально по обе стороны от коленвала под углом 180°. Двигатель получается низким и широким, центр масс машины опускается.
Поршни навстречу
Противолежащие поршни одновременно идут к валу или от него. Их силы инерции направлены в разные стороны и почти полностью гасят друг друга.
Порядок работы 1‑3‑2‑4
Рабочие ходы идут через каждые 180° коленвала, как у рядной четвёрки, но сначала работают оба цилиндра правого ряда (1 и 3), затем оба левого (2 и 4).
Две головки блока
У каждого ряда своя головка с клапанами и распредвалом. В разрезе видно, как кулачки открывают впускной и выпускной клапаны.
Почему оппозит низкий и уравновешенный
Если положить цилиндры рядного двигателя горизонтально и разделить на два ряда по обе стороны вала, двигатель станет плоским. А противолежащие поршни движутся зеркально — одновременно сходятся к валу и одновременно расходятся от него, — поэтому их силы инерции гасят друг друга.
Силы первого и второго порядка гаснут. Поршень 1 разгоняется вправо — поршень 2 в тот же момент так же сильно влево. Их шейки развёрнуты на 180°, и это зеркало точное: гасятся и силы первого порядка (раз за оборот), и второго (дважды за оборот). У рядной четвёрки свободные силы второго порядка остаются — около 10 кН на 6000 об/мин для таких поршней.
Остаётся небольшой момент. Ряды сдвинуты на 57,5 мм — на шаг шатунных шеек, чтобы у каждого шатуна была своя шейка, а между шейками встала коренная опора. Пары сил не лежат на одной линии и поворачивают двигатель вокруг вертикальной оси: в модели около 290 Н·м второго порядка. Чтобы сравнить с силой, разложим момент на опоры: если они стоят примерно в полуметре друг от друга, на каждую приходится переменная сила около 600 Н (оценка). Это в 15–20 раз меньше 10 кН свободной силы рядной четвёрки, и такую нагрузку гасят опоры.
Порядок 1‑3‑2‑4. Шейки 1 и 4 смотрят в одну сторону, 2 и 3 — в другую. Вспышки идут через 180°: два подряд в правом ряду (1, 3), затем два в левом (2, 4). Распредвалы вдвое медленнее коленвала и решают, у какого из пары поршней сжатие, а у какого выпуск.
Плюсы и минусы. Центр масс на уровне коленвала — машина ниже и устойчивее, двигатель короткий. Зато он широкий, ему нужны две головки, два распредвала и длинный ремень. Свечи и клапанные крышки — по бокам, у лонжеронов: обслуживать сложнее, а масло из горизонтальных цилиндров и крышек стремится вниз.
Детали в модели «Оппозитный четырёхцилиндровый двигатель»
Поршни. Алюминиевые, диаметр 88 мм, ход 82 мм. Лежат горизонтально. Поршни 1 и 2, 3 и 4 стоят друг напротив друга и всегда одновременно уходят от вала или подходят к нему.
Поршневые кольца. Два компрессионных и маслосъёмное кольцо. В горизонтальном цилиндре масло скапливается внизу гильзы, поэтому маслосъёмное кольцо особенно важно.
Шатуны. Короткие, 130 мм между осями. Каждый шатун сидит на своей шейке. Левый ряд сдвинут назад по оси вала на 57,5 мм — на шаг шатунных шеек, поэтому между шейками соседних цилиндров помещается коренная опора.
Коленчатый вал. Пять коренных шеек Ø54 мм и четыре шатунные Ø47 мм: каждая шатунная шейка стоит между двумя коренными. Шейки 1 и 4 смотрят в одну сторону, 2 и 3 — в противоположную. Шейки противолежащих цилиндров (1–2, 3–4) развёрнуты на 180°. Спереди — зубчатый шкив ремня и демпфер, сзади — фланец маховика.
Коренные вкладыши. Пять опор — по обе стороны от каждой шатунной шейки. Картер оппозита разъёмный по вертикали: две половины, левая и правая, зажимают вкладыши между собой. На вкладышах канавка и отверстие для масла.
Маховик. Сзади на фланце коленвала, Ø280 мм, с венцом стартера на 112 зубьев. Вращается вместе с валом 1:1 и сглаживает толчки вспышек каждые 180°.
Блок цилиндров. Две половины, по ряду цилиндров в каждой, соединены по вертикальной плоскости через ось коленвала. В каждой — пять перегородок с постелями коренных опор, рёбра, приливы под шпильки головки, лапа опоры двигателя, сзади фланец коробки передач. Голубым в разрезе — рубашка охлаждения вокруг цилиндров.
Цилиндры (гильзы). Сухие чугунные гильзы Ø88 мм в алюминиевых половинах блока, по две с каждой стороны. Снизу у гильз вырезы: мимо них проходят щёки соседних колен. Рабочий объём цилиндра около 499 см³, двигателя — 2,0 л.
Прокладки ГБЦ. Своя прокладка на каждом ряду. Держит давление сгорания и разделяет цилиндры, каналы масла и антифриза; в ней окна рубашки и отверстия болтов.
Головки блока. Две головки — по одной на каждом конце двигателя: камеры сгорания, впускные каналы вверх, выпускные вниз, колодцы свечей, постели распредвала с крышками, рубашка охлаждения (голубым в разрезе). В учебной модели по одному распредвалу и два клапана на цилиндр, оба в плоскости разреза.
Клапанные крышки. Закрывают распредвалы с торцов двигателя. Стоят вертикально, поэтому масло всё время лежит на нижней части резиновой прокладки. На левой крышке — маслозаливная горловина.
Клапаны. В учебной модели 8 клапанов: впускные Ø34 мм с подъёмом 9 мм и выпускные Ø29 мм с подъёмом 8,5 мм. Впуск сверху, выпуск — вниз, под двигатель.
Направляющие клапанов. Втулки держат стержень Ø6 мм точно по оси седла. На втулке — маслосъёмный колпачок.
Клапанные пружины. Возвращают клапан на седло и держат стакан прижатым к кулачку. Крайние витки поджаты и прошлифованы.
Толкатели (стаканы). Стаканы Ø30 мм между кулачком и клапаном. Кулачок давит на плоское донышко, стакан передаёт ход на стержень.
Распредвалы. По одному в каждой головке, по 4 кулачка: впуск и выпуск двух цилиндров. Вращаются вдвое медленнее коленвала. Профиль кулачка посчитан как огибающая плоского толкателя.
Ремень ГРМ и шкивы. Зубчатый ремень спереди, 233 зуба: шкив коленвала 24 зуба, шкивы распредвалов по 48 — ровно 1:2, шкив помпы 22. Ремень огибает оба распредвала по краям двигателя, помпу и коленвал внизу через два ролика. В разрезе крышка ГРМ снята.
Ролики и натяжитель. Два гладких ролика работают по спинке ремня и заставляют его обхватить шкив коленвала примерно на 140°. Правый, если смотреть спереди, ролик — натяжитель: он на рычаге, рычаг поджимает гидроупор.
Свечи зажигания. По одной между клапанами каждого цилиндра. Искра за 20° до верхней мёртвой точки, по очереди 1‑3‑2‑4. Наконечник выходит из головки вверх к катушке. К свечам на оппозите добираться сбоку, между головкой и лонжероном.
Центр масс. У оппозита центр масс почти на оси коленвала: цилиндры лежат горизонтально, головки стоят по бокам, а не сверху. Круг с чёрно-белыми секторами — центр масс, пунктир — линия осей цилиндров: ряды развёрнуты на 180°. У рядного двигателя того же объёма центр масс на 100–150 мм выше.
Поддон. Неглубокий, с рёбрами снизу и сливной пробкой: двигатель плоский, и всё, что под ним, тоже должно быть невысоким. Янтарным в разрезе — масло.
Впускной коллектор. Стоит сверху, между рядами: ресивер с дроссельным узлом спереди, четыре патрубка расходятся к обеим головкам, на патрубках форсунки и топливные рампы.
Выпускной коллектор. Трубы выходят из головок вниз, проходят под поддоном и сходятся в одну трубу за двигателем. Газы около 800 °C.
Показ по шагам
Цилиндры лежат друг напротив друга. Разрез сверху через оси всех четырёх цилиндров. Справа ряд с цилиндрами 1 и 3, слева — 2 и 4. Коленвал по центру. Голубой газ — свежая смесь, оранжевый — горение, серый — отработавшие газы.
Противолежащие поршни — как боксёры. Поршни 1 и 2, 3 и 4 одновременно расходятся и сходятся. Их силы инерции направлены в разные стороны и гасят друг друга: в показаниях «Сумма сил четырёх поршней» почти ноль, хотя сила одного поршня — до 10 кН.
Порядок работы 1‑3‑2‑4. Сначала вспыхивают оба цилиндра правого ряда (1, затем 3), потом оба левого (2, затем 4). Каждые 180° коленвала — следующий цилиндр. Смотрите на свечи и полосу под моделью.
Коленвал на пяти опорах. Четыре шатунные шейки и пять коренных опор: каждая шатунная шейка стоит между двумя коренными. Шейки противолежащих цилиндров развёрнуты на 180°, ряды сдвинуты на 57,5 мм — отсюда небольшой остаточный момент.
Головка: кулачок, стакан, клапан. Распредвал на каждом конце двигателя вращается вдвое медленнее коленвала. Кулачок давит на стакан, пружина возвращает клапан на седло.
Низко и широко. Спереди видно: двигатель плоский, его центр масс на уровне коленвала. Ремень огибает оба распредвала по краям, помпу и шкив коленвала внизу.
Что ломается и как это проявляется
Износ колец в 3‑м цилиндре. Признаки: сизый дым при перегазовке и после простоя, масло уходит быстрее 0,5 л на 1000 км, компрессия в третьем цилиндре 8–9 бар против 12–13 в остальных. Что проверить: компрессию сухую и с ложкой масла (растёт с маслом — виноваты кольца), тест утечки, давление картерных газов. На оппозите свечи и цилиндры с одной стороны проверяют, снимая детали сбоку.
Течь прокладки клапанной крышки. Признаки: после поездки из-под капота пахнет горелым маслом, на прогретом двигателе виден дымок у правой головки. Масла понемногу становится меньше, на защите картера — масляные потёки. Что проверить: осмотр снизу, потёки по нижнему краю крышки и на коллекторе. Ремонт: новая прокладка и уплотнители, затяжка болтов крышки моментом. Масло с коллектора смывают, иначе запах останется.
Прогар выпускного клапана во 2‑м. Признаки: двигатель троит на холостых и под нагрузкой, вибрация, хлопки в выпуске. Компрессия во втором цилиндре 4–6 бар. Что проверить: компрессию и тест утечки: воздух шипит в выпускной трубе. Эндоскоп в свечное отверстие. Ремонт — снять головку ряда, заменить клапан и обработать седло.
Пропуски зажигания в 4‑м. Признаки: мигает Check Engine, ошибка пропусков в 4‑м цилиндре, двигатель троит и дёргается, запах бензина из выпуска. Что проверить: поменять местами катушки или наконечники и посмотреть, переедет ли ошибка. Свечу осмотреть: мокрая и чистая — искры не было. Долго ездить нельзя: несгоревшее топливо перегревает катализатор.
Упрощения модели
Вращение замедлено: на холостых 750–800 об/мин цикл 720° длится около 0,15 с.
Давление и момент посчитаны для полной нагрузки; силы инерции — только поступательно движущихся масс (0,5 кг на поршень), шатуны и противовесы не учтены. Графики условные, не заводской расчёт.
Головка упрощена: два клапана на цилиндр в плоскости разреза, один распредвал, свеча по оси цилиндра, а её наконечник выходит из головки вверх. У реальных оппозитов чаще 4 клапана и два распредвала на головку, а свечи стоят наклонно.
Нет масляного насоса, каналов смазки, генератора, стартера и навесного; от помпы показаны корпус и шкив. Смазка, охлаждение и впрыск разобраны в отдельных лабораториях.
Масляная плёнка, потёк по крышке, дым и прожжённая дорожка на наконечнике в неисправностях нарисованы крупнее и ярче, чем бывают в жизни, — чтобы их было видно.
Метка центра масс стоит на оси коленвала по оценке, без расчёта масс деталей. Частицы газа, искра и подсветка вспышки — условные, для наглядности.
Связанные узлы и детали
Модель показывает принцип работы. Геометрия и режимы упрощены для обучения.