V конфигурациялы төрт цилиндрлі қозғалтқыш

Кіріспе

"V" пішіміндегі төрт цилиндрлі поршенді қозғалтқыш

V4 қозғалтқышы – цилиндрлері бір коленвалмен байланысқан және "V" пішімінде орналасқан төрт цилиндрлі поршенді қозғалтқыш. V4 қозғалтқыштары тік төрт цилиндрлі қозғалтқыштарға қарағанда сирек кездеседі. Дегенмен, V4 қозғалтқыштары автомобильдерде, мотоциклдерде және басқа да қолданыстарда пайдаланылған.

Дизайн

Кейбір V4 қозғалтқыштарында екі кранкпина бар, олар қарсы цилиндрлермен ортақ пайдаланылады. Осы типтегі қозғалтқыштарда кранквалды әдетте үш негізгі подшипник тіреп тұрады. Дегенмен, мұндай құрылым қозғалтқыштың тепе-теңсіз жұмыс істеуіне себеп болады. Тепе-тең ату аралықтарын қамтамасыз ету үшін бөлінген кранкпиндар артықшылықты табады. Тізбекті төрт цилиндрлі қозғалтқыштармен салыстырғанда V4 қозғалтқышы әлдеқайда қысқа болады. Әртүрлі V бұрыштарын қолдану мүмкін болғанымен, егер екі поршень 90° V бұрышта орналасса, онда қозғалтқыш тербелісті азайтатын, өте жақсы біріншілік тепе-теңдікке ие болады. Бұл конструкция тізбекті төрт цилиндрлі қозғалтқыштан гөрі кішірек инерциялық күштерді тудыруы мүмкін, ал қысқа кранквал жоғары қаттылығының арқасында бұралу тербелісіне аз сезімтал. V4 қозғалтқыштарының кемшіліктеріне оның тізбекті төрт цилиндрлі қозғалтқыштарға қарағанда кеңірек болуы, сондай-ақ екі шығару коллекторы, екі цилиндр басы және екі клапан механизмі (сол себепті жоғары жатқан клапанды қозғалтқыштар үшін екі немесе төрт кәмшафт қажет) кіруі керек. Компоненттердің екі бөлек жиынтығы болуы тізбекті төрт цилиндрлі қозғалтқыштармен салыстырғанда құн мен күрделілікті арттырады. V4 қозғалтқыштары тізбекті төрт цилиндрлі қозғалтқыштардан кең болғандықтан, қосымша жетекті құрылғыларды, сору және шығару жүйелерін жалпы габариттік өлшемдерін сақтай отырып біріктіру басқа V типтегі қозғалтқыштар сияқты қиын болуы мүмкін. Енін азайту үшін 60 градус сияқты тар V бұрышын пайдалануға болады. 60° V4 қозғалтқышы 90° V4 қозғалтқышынан компакттырақ болғанымен, 60° конструкциясының біріншілік тепе-теңдігі жоқ (егер кранкпиндар бөлінбесе) және сондықтан V6 қозғалтқыштарындағы сияқты тербелісті азайту үшін тепе-теңдік біліктерін қажет етеді. Сонымен қатар, ортақ кранкпинасы бар кез келген (төрт тактілі) V4 қозғалтқыш тепе-теңсіз жұмыс істейді және ықтимал түрде ауыр маховик қажет болуы мүмкін. Ford Essex V4 және Ford Taunus V4 қозғалтқыштарында қолданылған 60° V4 қозғалтқыштарында бөлінген кранкпиндарды пайдалану тепе-тең ату ретін қамтамасыз етеді.

Some V4 engines have two crankpins that are shared by opposing cylinders. The crankshaft is usually supported by three main bearings in this type of engines. However this arrangement results an uneven firing engine. Split crankpins are preferred for even firing intervals. Compared to the more common inline four engine layout, a V4 engine is much shorter. Although different V angles can be used, if the two pistons are at a 90° V angle with shared crankpins, the engine offers the additional advantage of perfect primary balance that reduces vibration. The design can also result in a smaller rocking couple than an inline four engine, and the shorter crankshaft is less susceptible to the effects of torsional vibration due to its increased stiffness. Disadvantages of V4 engines include its design being inherently wider compared to inline 4 engines, as well as the requirement of two exhaust manifolds, two cylinder heads, and two valvetrains (thus needing two or four camshafts for overhead cam engines) rather than only one cylinder head, one manifold, one valvetrain, and one or two camshafts for an inline four engine. Having two separate banks of components increases cost and complexity in comparison with inline four engines. Because V4 engines are wider than inline four engines, incorporating auxiliary drives, inlet systems, and exhaust systems while maintaining an overall compact size may be more difficult like other V type engines. In order to reduce width, a narrower V angle could be utilized, such as 60 degrees. Although a 60° V4 is more compact than a 90° V4 engine, the 60° design does not have perfect primary balance (if the crankpins are not split) and, therefore, often require a balance shaft to reduce vibrations similar to the V6 engines. Additionally, any (four stroke) V4 engine with shared crankpins will fire unevenly and potentially require a heavier flywheel. Using split crankpins in a 60° V4, as used on the Ford Essex V4 engine and Ford Taunus V4 engines, results in an even firing order.

Автомобильді пайдалану

V4 қозғалтқыштарының автомобильдерде ең алғашқы қолданылуы Гран-при жарыстарында (кейін «Формула-1» деп аталды) болды. V4 қозғалтқыштарының алғашқы үлгілерінің бірі – 1898 жылы Францияда жасалған Mors артқы қозғалтқышты машинасына орнатылды. Сол кезде V4 қозғалтқышының дірілдемеуі маңызды сату артықшылығы болды. Дегенмен, 1901 жылы V4 қозғалтқышы тізбекті төрт қозғалтқышпен ауыстырылды. 1907 жылғы Франция Гран-присінде J. Уолтер Кристинің машинасы V4 қозғалтқышымен жабдықталды, ол Гран-при жарысында қолданылған ең үлкен қозғалтқыш болды. Қозғалтқыш алдыңғы бөлігінде көлденең орнатылып, машина алдыңғы дөңгелектермен қозғалды. Автомобиль Франция Гран-присінен төрт айналымнан кейін шығарылды, бірақ кейін жылдамдық рекордын орнатты. Өндірістік автомобильдерде алғаш рет қолданылған V4 қозғалтқышы – 1922 жылы Lancia Lambda машинасына орнатылған Lancia V4 қозғалтқышы болды. Lancia қозғалтқышы тар бұрышты конструкцияға ие болды, бұрышы 20 градусқа тең, ал екі жағына да бір камералы аспалы цилиндрлік бас орнатылды. Блок пен бас екеуі де алюминийден жасалған (сол кезде бұл сирек кездесетін еді). AMC Air cooled 108 – 1960 жылдан 1963 жылға дейін жеңіл M422 Mighty Mite әскери машинасы үшін жасалған қозғалтқыш. M422 American Motors Corporation (AMC) компаниясымен АҚШ-та әзірленді және тікұшақпен тасымалдауға арналған. 1960 жылдардан бастап Ford компаниясының еуропалық бөлімшелері екі байланыссыз V4 қозғалтқышын шығарды. Біріншісі – 1962 жылдан 1981 жылға дейін Германияда өндірілген Ford Taunus V4 қозғалтқышы. Taunus 60 градусты V4 қозғалтқышы, сумен салқындатылатын және жоғарғы клапандары бар. Бастапқыда алдыңғы қозғалтқышты автомобильдерде қолдануға арналған, ол әртүрлі Ford модельдерінде, сондай-ақ алдыңғы дөңгелекті Saab 95, Saab 96 және Saab Sonett модельдерінде қолданылды. Сондай-ақ, ол ортаңғы қозғалтқышты Matra 530 спорттық машинасына орнатылды. Екінші Ford V4 қозғалтқышы – 1965 жылдан 1977 жылға дейін Ұлыбританияда өндірілген Ford Essex V4 қозғалтқышы, ол бірнеше Ford Corsair, Capri, Consul, Zephyr және Transit модельдерінде қолданылды. Taunus қозғалтқышынан бөлек әзірленгенімен, Essex де сумен салқындатылатын, жоғарғы клапандары бар 60 градустық V4 қозғалтқышы және алдыңғы қозғалтқышты автомобильдер мен фургондарда қолдануға арналған. 2014–2017 жылдар аралығында Porsche 919 Hybrid LMP1 жарыс машинасы ортаға орнатылған 90 градусты турбожүкті V4 қозғалтқышын пайдаланды.

The earliest automotive use of V4 engines were in Grand Prix racing (later called 'Formula One') cars. One of the pioneering V4 engines was in the 1898 Mors rear engined car built in France. At the time, the lack of vibration from the V4 engine was a key selling point. However, the car's V4 engine was replaced by a conventional inline four engine by 1901. In the 1907 French Grand Prix, the car entered by J. Walter Christie used a V4 engine, the largest engine ever used in a Grand Prix race. The engine was mounted transversely in the front and the car was front wheel drive. The car retired from the French Grand Prix after just four laps, however, it later set a speed record of
The first V4 engine used in production cars was the Lancia V4 engine that was first used in the 1922 Lancia Lambda. The Lancia engine was a narrow angle design with an angle of 20 degrees between the banks and a single cylinder head with one overhead camshaft shared by both banks. It also used aluminium for both the block and head (which was unusual for the time). The AMC Air cooled 108 was a engine built from 1960 to 1963 for use in the lightweight M422 Mighty Mite military vehicle. The M422 developed was by American Motors Corporation (AMC) in the United States and specifically designed to be transported by helicopter. Beginning in the 1960s, Ford's European divisions produced two unrelated V4 engines. The first was the Ford Taunus V4 engine, produced in Germany from 1962 to 1981. The Taunus was a 60 degree V4 engine with water cooling and overhead valves. Initially designed for use in front engined cars, it was used in various Ford models and also used in the front wheel drive Saab 95, Saab 96, and Saab Sonett models. It was also used in the mid engine Matra 530 sports car. The second Ford V4 engine was the Ford Essex V4 engine, produced in the United Kingdom from 1965 to 1977 and used in several Ford Corsair, Capri, Consul, Zephyr, and Transit models. Although designed separately from the Taunus engine, the Essex also was a 60 degree V4 with water cooling, overhead valves, and designed for use in front engined cars/vans. The Porsche 919 Hybrid LMP1 racing car used in the 2014–2017 seasons used a 90 degree turbocharged V4 engine that was mid mounted.

Қайықтарды пайдалану

V4 қозғалтқышының тағы бір қолданылуы – қайықтарға арналған сыртқы моторларда. V4 конфигурациясы қысқа қозғалтқыш ұзындығының арқасында сыртқы теңіз қолданбаларында кең таралған. 1958 жылы Johnson және Evinrude компаниялары V4 сыртқы моторларын ұсынды. 1972 жылға қарай, дәл осы V4 блогы зауыттық күйінде бұрынғыдан екі есе көп қуатты бере бастады, бұл өндірушілер жарыстардан алған тәжірибесінің нәтижесі болды. 1988 жылы Yamaha компаниясы АҚШ нарығына "дәл араластыру" май инжекциясы бар екі тактілі V4 қозғалтқышын ұсынды. Сыртқы моторлардың көп бөлігі әдетте карбюраторлы екі тактілі қозғалтқыштар болып табылады.

Басқа қолданыстар

1935 жылы Висконсин мотор өндіру компаниясы өнеркәсіптік, ауыл шаруашылығы және стационарлық қолданыс үшін бензинді V4 қозғалтқыштарын шығара бастады, сондай-ақ бірнеше шаруашылық техникаларын өндірушілер Висконсин V4 қозғалтқыштарын пайдаланды. 1950 жылы Висконсин өндірген ең үлкен V4 қозғалтқышы VR4D болды, оның ішкі көлемі және 3000 айналымда қуаты , ал 1250 айналымда ең жоғары серпілісі болды. Компания 2019 жылға дейін V4 қозғалтқыштарын өндірді. 1940-жылдардың ортасында Ұлыбританиядағы Тернер Manufacturing компаниясы өнеркәсіптік және теңіздік мақсаттар үшін сумен салқындатылатын V4 дизельдік қозғалтқышын жасады. Бұл қозғалтқыш 1949–1957 жылдары Англияның Turner Yeoman тракторында қолданылды. Mitsubishi Heavy Industries компаниясы 1973 жылдан бері 73-ші типті бронетранспортерде және басқа да жапондық әскери көліктерінде қолданылатын ауамен салқындатылатын дизельді 4ZF V4 қозғалтқышын құрастырды.