Рядная шестёрка: шесть цилиндров на одном валу. Между началами рабочих ходов — 120°.
Как работает рядный шестицилиндровый двигатель: устройство и принцип работы
Команда из шести цилиндров
Один вал на всех
Каждый поршень соединён шатуном с общим коленчатым валом. Когда один цилиндр даёт толчок, остальные проходят другие части своего цикла.
Работа по очереди
Представь команду на качелях: толкать удобнее по очереди. Здесь порядок работы цилиндров 1 → 5 → 3 → 6 → 2 → 4. Это выбранный пример, у других двигателей порядок может отличаться.
Четыре такта остаются
У каждого цилиндра есть впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск. Но их циклы сдвинуты по времени, поэтому толчки приходят чаще.
Поршни стоят в ряд
Цилиндры стоят один за другим вдоль коленвала. Поверни модель сбоку и посмотри, как расположены шейки вала и шатуны.
Почему рядная шестёрка работает так ровно
Шесть цилиндров делят 720° цикла на шесть вспышек через 120°. Рабочий ход длится 180°, поэтому толчки перекрываются, а поршни расставлены так, что их силы инерции взаимно гасятся.
Перекрытие рабочих ходов. У четвёрки между вспышками нет запаса: рабочий ход 180°, интервал 180°. У шестёрки интервал 120°: каждые 120° два цилиндра работают вместе 60°, то есть половину времени (в идеализации, где рабочий ход длится все 180°). Суммарный момент почти не опускается ниже нуля.
Зеркальный коленвал. Колена 1 и 6, 2 и 5, 3 и 4 стоят парами через 120°. Передняя половина двигателя — зеркало задней: силы первого и второго порядка и моменты от них равны нулю.
Без балансирных валов. Четвёрке на 2,0 л и больше часто ставят два балансирных вала против вибрации второго порядка. Шестёрке они не нужны.
Плата за ровность. Двигатель длинный: около 60 см только блок. Длинный вал сильнее закручивается, поэтому на носке стоит демпфер. Поперёк моторного отсека такой двигатель почти не помещается.
Детали в модели «Рядный шестицилиндровый двигатель»
Поршни. Шесть алюминиевых поршней Ø86 мм, ход 86 мм. На рабочем ходу газы давят на днище с силой до 27 кН (около 47 бар). Поршни ходят парами: 1 и 6, 2 и 5, 3 и 4 всегда на одной высоте.
Шатуны. Кованые, 145 мм между осями. Верхняя головка на пальце Ø20 мм, нижняя разъёмная: крышка на двух болтах и вкладыши на шатунной шейке Ø48 мм.
Коленчатый вал. 7 коренных шеек Ø55 мм, 6 шатунных Ø48 мм. Колена стоят через 120°: 1 и 6 в одну сторону, 2 и 5 — в другую, 3 и 4 — в третью. Вал длинный, поэтому он заметно закручивается от вспышек.
Демпфер крутильных колебаний. Шкив на носке коленвала: ступица и тяжёлое инерционное кольцо, между ними резиновый слой. Кольцо отстаёт от закручивания вала и гасит колебания носка. Для длинного вала рядной шестёрки это обязательная деталь.
Маховик. Диск Ø290 мм с венцом на 118 зубьев для стартера. У шестёрки вспышки перекрываются, момент на валу почти не опускается ниже нуля, поэтому маховик может быть легче, чем у четвёрки.
Головка блока. Алюминиевая отливка на шесть цилиндров, длина около 600 мм. В каждом цилиндре плоская камера-«ванна» глубиной 6,5 мм, впускной канал уходит в одну сторону, к впускному коллектору, выпускной — в другую, к выпускному. Сверху постели одного распредвала. Голубым в разрезе — рубашка охлаждения.
Клапаны и сёдла. 12 клапанов стоят в один ряд вдоль двигателя: в каждом цилиндре впускной (тарелка 38 мм) ближе к цепи, выпускной (32 мм) — ближе к маховику. Подъём 9 и 8,5 мм. Тарелка садится на запрессованное седло и запирает камеру сгорания.
Прокладка ГБЦ. Многослойная стальная, около 1 мм. Рассчитана на давление сгорания 60–80 бар и выше (в модели пик около 47 бар), разделяет цилиндры, каналы антифриза и масла. Между соседними цилиндрами перемычка около 7 мм.
Направляющие клапанов. Втулки длиной 40 мм держат стержень клапана Ø6 мм точно по оси седла. Нижний конец втулки выступает в канал, сверху стоит маслосъёмный колпачок.
Блок цилиндров. Цилиндры через 96 мм, длина блока около 600 мм — шестёрку ставят вдоль машины. Внизу 7 коренных опор с крышками. Голубым в разрезе — рубашка охлаждения.
Цилиндры (гильзы). Чугунные гильзы Ø86 мм, залитые в блок. Рабочий объём цилиндра 500 см³, двигателя — 3,0 л.
Поршневые кольца. Два компрессионных и маслосъёмное кольцо на каждом поршне. Держат газы над поршнем и оставляют на стенке масляную плёнку в несколько микрон.
Коренные вкладыши. Семь пар тонких стальных полуколец с антифрикционным слоем. Зазор во вкладыше 0,03–0,05 мм заполнен маслом; под нагрузкой масляный клин тоньше — несколько микрон. Масло подаётся под давлением 2–5 бар.
Распредвал. Один вал над клапанами (SOHC), 12 кулачков — свой у каждого клапана. Вращается вдвое медленнее коленвала. Кулачки цилиндров, соседних по порядку работы, повёрнуты на 60°.
Цепь и звёздочки ГРМ. Роликовая цепь спереди двигателя. Звёздочка коленвала 21 зуб, распредвала — 42: передаточное отношение 1:2.
Натяжитель и успокоитель. Гидронатяжитель маслом и пружиной давит на башмак ведомой ветви. Неподвижный успокоитель держит ведущую ветвь, которая тянет распредвал.
Толкатели (стаканы). Стаканы Ø34 мм: кулачок давит на донышко, стакан — на стержень клапана. Зазор 0,2–0,3 мм выставляют шайбами или выбирает гидрокомпенсатор.
Клапанные пружины. Прижимают клапан к седлу усилием около 200 Н, при полном подъёме — до 450 Н.
Свечи зажигания. По одной на цилиндр: центр камеры занят клапанами, поэтому свеча вкручена сбоку, со стороны впуска, под углом 35°. Искра за 20° до верхней мёртвой точки, по очереди 1‑5‑3‑6‑2‑4.
Поддон и масло. Хранит около 6,5 л масла. Насос подаёт его к вкладышам, распредвалу и натяжителю цепи.
Впускной коллектор. Длинный ресивер с дроссельной заслонкой и шесть патрубков — по одному на цилиндр.
Выпускной коллектор. Две ветви «три в одну»: цилиндры 1–3 и 4–6. В каждой ветви импульсы идут через 240° и не мешают друг другу выйти.
Показ по шагам
Шесть цилиндров, вспышка каждые 120°. За два оборота вала каждый цилиндр делает один рабочий ход, а их шесть — значит, новый толчок каждые 120°. Рабочий ход длится 180°, поэтому два цилиндра работают одновременно.
Порядок 1‑5‑3‑6‑2‑4. Вспышки чередуются между передней (1–3) и задней (4–6) половиной двигателя. Смотрите на свечи и полосу порядка работы под моделью.
Коленвал: колена через 120°. Шейки 1 и 6 смотрят в одну сторону, 2 и 5 — в другую, 3 и 4 — в третью, через 120°. Вал зеркально симметричен, поэтому силы и моменты от поршней взаимно гасятся без балансирных валов.
Силы инерции: шестёрка против четвёрки. На графике силы инерции поршней при 6000 об/мин. У четвёрки остаётся волна около 11 кН с двойной частотой, у шестёрки сумма почти ноль.
Длинный вал и демпфер. Вспышки закручивают длинный коленвал. Шкив с резиновым слоем и тяжёлым кольцом на носке вала гасит эти колебания.
Двенадцать клапанов в одном разрезе. Все клапаны стоят в ряд в плоскости разреза: в каждом цилиндре впускной ближе к цепи, выпускной — к маховику. Один распредвал, 12 кулачков: кулачок давит на стакан, стакан — на клапан, пружина возвращает его на седло.
Что ломается и как это проявляется
Разрушен демпфер шкива. Признаки: на 3000–4000 об/мин появляется гул и вибрация, шкив заметно бьёт, ремень навесного свистит или соскакивает. Позже может сломаться носок вала или шпонка. Что проверить: метки на ступице и кольце (сдвиг — резина провернулась), трещины резины, биение шкива на работающем двигателе. Демпфер меняют целиком.
Растянута цепь ГРМ. Признаки: первые секунды после пуска спереди слышен треск, горит Check Engine с ошибкой рассогласования коленвала и распредвала. Двигатель хуже тянет. Что проверить: метки в ВМТ, вылет штока натяжителя, отклонение фаз в сканере. Цепь меняют со звёздочками, башмаками и натяжителем.
Износ колец в 5‑м цилиндре. Признаки: сизый дым при перегазовке, масло уходит быстрее 0,5 л на 1000 км, компрессия в пятом цилиндре 8–9 бар против 12–13 в остальных. Что проверить: компрессию сухую и с ложкой масла (вырастает с маслом — кольца), тест утечки, давление картерных газов.
Пробита прокладка между 3 и 4. Признаки: двигатель троит, особенно на холодную. Компрессия в третьем и четвёртом цилиндрах одинаково низкая. Что проверить: компрессия: два соседних цилиндра с одинаково низкой — пробой между ними. Тест утечки. Плоскость головки — на коробление.
Погнут клапан после перескока. Признаки: двигатель заглох на ходу и не заводится или сильно троит. В одном цилиндре нет компрессии. Что проверить: не крутить стартером повторно. Метки, компрессия, эндоскоп. Ремонт: снять головку, заменить клапаны и комплект цепи.
Износ среднего коренного вкладыша. Признаки: глухой низкий стук снизу, сильнее под нагрузкой. На прогретом двигателе мигает лампа давления масла. Что проверить: давление масла манометром, стружка в масле и фильтре. Ехать нельзя: вкладыш может провернуться.
Упрощения модели
Камера сгорания нарисована мельче настоящей, чтобы клапаны и поршень были видны в одном разрезе: по чертежу её объём меньше, чем нужно для сжатия 10,5. В расчётах давления принято сжатие 10,5.
Вращение замедлено: на холостых 700 об/мин цикл 720° длится около 0,17 с.
Давление и момент посчитаны для полной нагрузки; силы инерции посчитаны отдельно для 6000 об/мин и на момент не влияют.
Крутильные колебания вала показаны условно: размах увеличен, чтобы его было видно. Проворот кольца демпфера на резине, его перекос и биение при неисправности тоже увеличены.
При износе вкладыша средняя опора нарисована целой, хотя блок разрезан: срезанная половина перегородки и крышки показана стеклом. Без разреза у этой опоры вырезано окно в юбке картера, поддоне и масле. Зазор истёртого вкладыша (1,4 мм) и опускание вала при ударе увеличены, но щели на экране почти не видно; утечка масла показана условно.
Блок и головка разрезаны одной плоскостью по осям цилиндров и клапанов. Клапаны, пружины, стаканы, распредвал и свечи показаны целыми; свечи — без колодцев, катушки упрощены.
Нет генератора, насосов и навесного оборудования: смазка, охлаждение и впрыск разобраны в отдельных лабораториях.
Связанные узлы и детали
Модель показывает принцип работы. Геометрия и режимы упрощены для обучения.