Двигатель V4: конструкция, преимущества и недостатки

Введение

В4 двигатель — это четырехцилиндровый поршневый двигатель, в котором цилиндры имеют общий коленчатый вал и расположены в V-образной конфигурации. Двигатели V4 менее распространены, чем рядные четырехцилиндровые двигатели. Тем не менее, V4 двигатели применялись в автомобилях, мотоциклах и других областях.

Дизайн

Некоторые двигатели V4 имеют два коленчатых шейки, используемые противоположными цилиндрами. Коленчатый вал в таких двигателях обычно опирается на три основных подшипника. Однако такая конструкция приводит к неравномерному порядку работы цилиндров. Раздельные коленчатые шейки предпочтительнее для обеспечения равномерных интервалов зажигания. По сравнению с более распространенной рядной четверкой, двигатель V4 значительно короче. Хотя могут использоваться различные углы V, при угле 90° и общих коленчатых шейках двигатель обеспечивает дополнительное преимущество в виде идеальной первичной балансировки, что снижает вибрацию. Эта конструкция также может обеспечить меньший крутящий момент, чем у рядной четверки, а более короткий коленчатый вал менее подвержен влиянию крутильных колебаний благодаря своей повышенной жесткости. К недостаткам двигателей V4 относится их более широкая конструкция по сравнению с рядными четверками, а также необходимость в двух выхлопных коллекторах, двух головках блока цилиндров и двух газораспределительных механизмах (следовательно, для двигателей с верхним расположением распредвалов требуется два или четыре распределительных вала), в то время как для рядной четверки достаточно одной головки блока цилиндров, одного коллектора, одного газораспределительного механизма и одного или двух распределительных валов. Наличие двух отдельных блоков компонентов увеличивает стоимость и сложность по сравнению с рядными четверками. Поскольку двигатели V4 шире, чем рядные четверки, интеграция вспомогательных приводов, впускных и выпускных систем при сохранении компактных размеров может быть более сложной, как и в случае других двигателей V-образной конфигурации. Для уменьшения ширины можно использовать более узкий угол V, например 60 градусов. Хотя V4 с углом 60° компактнее, чем V4 с углом 90°, конструкция с углом 60° не обладает идеальной первичной балансировкой (если коленчатые шейки не разделены) и, следовательно, часто требует балансирного вала для снижения вибрации, аналогично двигателям V6. Кроме того, любой (четырехтактный) двигатель V4 с общими коленчатыми шейками будет работать неравномерно и, возможно, потребует более тяжелого маховика. Использование раздельных коленчатых шеек в V4 с углом 60°, как в двигателях Ford Essex V4 и Ford Taunus V4, обеспечивает равномерный порядок работы цилиндров.

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.

Использование автомобилей

Самым ранним автомобильным применением двигателей V4 были гоночные автомобили Гран-при (позже названные «Формулой-1»). Один из первых двигателей V4 был установлен на автомобиле Mors с задним расположением двигателя, построенном во Франции в 1898 году. В то время отсутствие вибрации от двигателя V4 было ключевым преимуществом. Однако к 1901 году двигатель V4 этого автомобиля был заменен на обычный рядный четырехцилиндровый двигатель. На Гран-при Франции 1907 года автомобиль, стартовавший под управлением Дж. Уолтера Кристи, использовал двигатель V4 – самый большой двигатель, когда-либо использовавшийся в гонке Гран-при. Двигатель был установлен поперечно спереди, а автомобиль имел передний привод. Автомобиль сошел с дистанции Гран-при Франции всего после четырех кругов, однако позже установил рекорд скорости.

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.

Первым двигателем V4, примененным в серийных автомобилях, был двигатель Lancia V4, впервые использованный в Lancia Lambda 1922 года. Двигатель Lancia имел узкий угол развала блока в 20 градусов и одну головку блока цилиндров с одним верхним распределительным валом, обслуживающим обе стороны. Он также использовал алюминий для блока и головки цилиндров (что было необычно для того времени). AMC Air cooled 108 – это двигатель, производившийся с 1960 по 1963 год для использования в легком военном автомобиле M422 Mighty Mite. M422 был разработан компанией American Motors Corporation (AMC) в Соединенных Штатах и специально предназначен для транспортировки вертолетом. Начиная с 1960-х годов, европейские подразделения Ford производили два различных двигателя V4. Первым был двигатель Ford Taunus V4, производившийся в Германии с 1962 по 1981 год. Taunus был двигателем V4 с водяным охлаждением и верхними клапанами. Изначально разработанный для автомобилей с передним расположением двигателя, он использовался в различных моделях Ford, а также в автомобилях Saab 95, Saab 96 и Saab Sonett с передним приводом. Он также применялся в спортивном автомобиле Matra 530 со средним расположением двигателя. Вторым двигателем Ford V4 был двигатель Ford Essex V4, производившийся в Соединенном Королевстве с 1965 по 1977 год и использовавшийся в нескольких моделях Ford Corsair, Capri, Consul, Zephyr и Transit. Хотя он был разработан независимо от двигателя Taunus, Essex также был V4 с водяным охлаждением под углом 60 градусов, верхними клапанами и предназначен для использования в автомобилях/фургонах с передним расположением двигателя. В гоночном автомобиле Porsche 919 Hybrid LMP1, использовавшемся в сезонах 2014–2017 годов, применялся 90-градусный турбированный двигатель V4 с центральным расположением.

Использование лодки

Еще одно применение двигателя V4 – в лодочных моторах. V-образная конфигурация с четырьмя цилиндрами популярна для использования на воде благодаря своей компактной длине. В 1958 году компании Johnson и Evinrude представили V4 лодочные моторы мощностью и весом . К 1972 году тот же базовый блок V4 в серийной комплектации выдавал более чем вдвое больше лошадиных сил благодаря опыту, полученному производителями в гонках. В 1988 году Yamaha представила двухтактный V4 на рынке США с системой впрыска масла, получившей название "precision blend". Большинство лодочных моторов обычно являются двухтактными двигателями с карбюратором.

Другие применения

В 1935 году компания Wisconsin Motor Manufacturing Company начала производство бензиновых двигателей V4 для промышленного, сельскохозяйственного и стационарного применения, при этом несколько производителей сельскохозяйственной техники использовали двигатели Wisconsin V4. В 1950 году самым большим двигателем Wisconsin V4 был VR4D с рабочим объемом и мощностью в 3000 об/мин и максимальным крутящим моментом в 1250 об/мин. Компания производила двигатели V4 до 2019 года. В середине 1940-х годов компания Turner Manufacturing в Великобритании начала производство дизельного двигателя V4 с водяным охлаждением для промышленного и морского применения. Этот двигатель использовался в тракторе Turner Yeoman of England, выпускавшемся в 1949–1957 годах. Компания Mitsubishi Heavy Industries разработала двигатель 4ZF – дизельный двигатель V4 с воздушным охлаждением, который с 1973 года используется в бронетранспортерах Type 73 и другой японской военной технике.