Введение

Горизонтально оппозитный четырехцилиндровый поршневой двигатель

Плоский четырехцилиндровый двигатель, также известный как горизонтально оппозитный четырехцилиндровый двигатель или двигатель типа «боксер», представляет собой четырехцилиндровый поршневой двигатель с двумя рядами цилиндров, расположенными по обе стороны от общего коленчатого вала. Наиболее распространенным типом плоского четырехцилиндрового двигателя является «боксер», в котором каждая пара противоположных поршней движется одновременно внутрь и наружу. Двигатель типа «боксер» обладает идеальной первичной и вторичной балансировкой, однако наличие двух головок цилиндров делает его производство более дорогим по сравнению с рядным четырехцилиндровым двигателем. В плоскости поршней существует незначительный вторичный несбалансированный импульс вращающего момента, когда пара поршней на одном конце двигателя находится в верхней мертвой точке (ВМТ), а другая пара – в нижней мертвой точке (НМТ). Пара в ВМТ создает больший крутящий момент, чем пара в НМТ, поэтому результирующий несбалансированный импульс крутящего момента равен их разнице. Разница в инерционных силах в ВМТ и НМТ объясняется в разделе «Балансировка двигателя». Двигатели типа «боксер» используются в автомобилях с 1897 года, особенно компаниями Volkswagen и Subaru. Они также иногда применяются в мотоциклах и часто – в авиации. Cessna и Piper используют оппозитные четырехцилиндровые двигатели Lycoming и Continental в самых распространенных гражданских самолетах в мире – Cessna 172 и Piper Cherokee, а многие сверхлегкие и LSA самолеты используют модификации Rotax 912.

Дизайн

В двигателе с плоской четверкой каждая пара противоположных поршней последовательно движется внутрь и наружу синхронно. Преимущества компоновки "боксер-четыре" – идеальное уравновешивание вторичных вибраций (что обеспечивает минимальную вибрацию), низкий центр тяжести и компактная длина двигателя. Двигатели с плоской конфигурацией успешно применяются с воздушным охлаждением, хотя двигатели с воздушным охлаждением более шумные и имеют меньшую мощность по сравнению с двигателями аналогичного объема с жидкостным охлаждением. В легких самолетах, где приоритетом является малый вес, воздушное охлаждение традиционно широко использовалось. Недостатки двигателей типа "боксер-четыре" (по сравнению с рядными четверками) – большая ширина, повышенная стоимость, обусловленная наличием двух головок блока цилиндров вместо одной, и необходимость использования длинного выхлопного коллектора для обеспечения равномерного интервала выхлопных импульсов. По этим причинам рядные четверки более распространены в автомобилях, чем "боксеры", а для больших объемов часто применяются двигатели V6.

Баланс двигателя

Равные и противоположные силы, возникающие в оппозитном четырехцилиндровом двигателе, обеспечивают идеальный вторичный баланс (в отличие от несбалансированных вертикальных сил, создаваемых рядными четырехцилиндровыми двигателями). Поэтому оппозитные четырехцилиндровые двигатели лучше подходят для больших объемов, поскольку им не требуются балансировочные валы для снижения вторичной вибрации. В оппозитном двигателе каждый цилиндр слегка смещен относительно своего противоположного из-за расстояния между шейками коленчатого вала. Это смещение создает небольшую раскачивающую пару, но возникающая вибрация обычно недостаточна для установки балансировочных валов. Как и во всех четырехтактных двигателях с четырьмя или менее цилиндрами, отсутствие перекрытия рабочих ходов приводит к пульсирующей передаче крутящего момента на маховик, вызывая крутильную вибрацию вдоль оси коленчатого вала. Чрезмерная вибрация может быть уменьшена с помощью демпфера крутильных колебаний.

Выхлопный коллектор

Типичный порядок зажигания для оппозитного четырехцилиндрового двигателя заключается в последовательном зажигании цилиндров левого ряда, за которым следует правый ряд (или наоборот), при этом интервал между зажиганиями равномерно составляет 180 градусов. Традиционно выхлопные газы от двух цилиндров каждого ряда объединялись, что приводило к неравномерным выхлопным импульсам и характерному "булькающему" звуку выхлопа, свойственному оппозитному двигателю. Другая распространенная конфигурация выхлопной системы (например, используемая компанией Subaru с середины 2000-х годов) предполагает объединение цилиндров с разностью в зажигании 360 градусов для оптимизации выхлопных импульсов. Эта конфигурация требует длинных выхлопных коллекторов для соединения цилиндров, расположенных на противоположных рядах, и в результате дает менее выраженный звук выхлопа.

19001935

В 1900 году компания Benz & Cie произвела первый оппозитный четырехцилиндровый двигатель, основанный на двухцилиндровом оппозитном двигателе "contra" Benz 1897 года. Этот двигатель использовался в гоночных автомобилях Benz, выпускался, имел рабочий объем и был разработан Георгом Дилем. Лондонская компания Wilson Pilcher выпустила свой первый автомобиль в 1901 году, оснащенный оппозитным четырехцилиндровым двигателем. Этот двигатель был установлен продольно в шасси, водяного охлаждения, выдавал мощность и имел рабочий объем. Необычно для того времени, диаметр цилиндра и ход поршня были равны, каждый из которых составлял . В 1902 году автомобиль Buffum был оснащен оппозитными четырехцилиндровыми двигателями мощностью 16 лошадиных сил. Герберт Г. Баффум производил американский автомобиль Buffum в Абинтоне, штат Массачусетс, с 1903 по 1907 год. Ранее выпускавшая оппозитные двухцилиндровые двигатели, компания Tatra в 1926 году представила модель 30, ставшую первой моделью чешской компании с оппозитным четырехцилиндровым двигателем. Tatra производила различные модели с оппозитными четырехцилиндровыми двигателями в 1920-х и 1930-х годах.

19361999 год

В 1936 году Tatra T97 стала пионером в применении заднего расположения двигателя, воздушного охлаждения и трубчатой рамы (позже использованной в Volkswagen Beetle), а в то же время, независимо от нее, появился Steyr 50 из Австрии, оснащенный передним оппозитным 4-цилиндровым двигателем и задним приводом. Также в 1936 году английская компания Jowett расширила свой модельный ряд, добавив к оппозитным 2-цилиндровым двигателям оппозитные 4-цилиндровые. Производство оппозитных 4-цилиндровых двигателей Jowett продолжалось до 1954 года, когда прекратилось производство седана Jowett Javelin и спортивной модели Jowett Jupiter. Самым долго производившимся оппозитным 4-цилиндровым двигателем является двигатель Volkswagen с воздушным охлаждением, который выпускался с 1938 по 2006 год и наиболее известен по использованию в заднемоторных Volkswagen Beetle (1938–2003) и Volkswagen Transporter (1950–1983). Этот двигатель с воздушным охлаждением был разработан Porsche и также применялся в Porsche 356 (1948–1965), Porsche 550 (1953–1956), Porsche 912 (1965–1969) и Porsche 914 (1969–1976). В 1984 году, для соответствия нормам выбросов, в Volkswagen Transporter (T3) была представлена версия с водяным охлаждением под названием Volkswagen Wasserboxer.

В 1960-х и 1970-х годах несколько производителей выпускали оппозитные 4-цилиндровые двигатели, включая воздушно-охлаждаемый Citroën, водяно-охлаждаемый Alfa Romeo, водяно-охлаждаемый Lancia и водяно-охлаждаемый Subaru EA. Два важных двигателя, разработанных в этот период, но так и не вышедших в серийное производство, – это 800-кубовый боковольный двигатель Morris, разработанный Алек Иссигонисом в 1947 году для Morris Minor, и 2,2-литровый двигатель SOHC Ferguson, разработанный Клодом Хиллом в 1966 году в рамках исследовательского проекта R5.

2000настоящее время

К 2000 году большинство производителей заменили оппозитные четырехцилиндровые двигатели на рядные четырехцилиндровые двигатели. Заметным исключением является Subaru, с водяным охлаждением двигатель Subaru EJ, доступный в турбированном варианте в спортивном седане Subaru WRX и его версии для World Rally Car. Переход Subaru к полному приводу стал фактором сохранения оппозитного двигателя, поскольку его меньшая длина облегчает размещение компонентов полного привода в шасси. Хотя он дороже, чем рядный четырехцилиндровый двигатель, оппозитный двигатель позволяет Subaru создавать автомобиль с полным приводом с минимальными дополнительными затратами по сравнению с двухприводным. Этот двигатель имеет водяное охлаждение, оснащен непосредственным впрыском топлива, развивает мощность и имеет рабочий объем . Спортивные автомобили Porsche Boxster/Cayman (982) 2016 года выпуска перешли с атмосферного оппозитного шестицилиндрового двигателя на турбированный оппозитный четырехцилиндровый двигатель – первый оппозитный четырехцилиндровый двигатель Porsche с середины 1970-х годов. Этот двигатель выпускается с рабочим объемом и развивает мощность до . Некоторые обозреватели раскритиковали Boxster/Cayman за невыразительный звук двигателя.

Использование в воздушных судах

Легкие самолеты обычно используют оппозитные четырехцилиндровые двигатели с рабочим объемом до от таких производителей, как Lycoming Engines, Continental Motors и Franklin Engine Company. Для радиоуправляемых самолетов оппозитные четырехцилиндровые двигатели с рабочим объемом производятся такими компаниями, как O. S. Engines. Заметным новым оппозитным четырехцилиндровым авиационным двигателем является бельгийский D Motor LF26 с боковым расположением клапанов. Хотя конструкция с боковым расположением клапанов давно заброшена для большинства автомобильных применений из-за формы камеры сгорания, препятствующей высоким оборотам двигателя, сильно дефорсированный (1,295:1) D Motor является очень простым, низкооборотным, компактным, надежным и легким авиационным двигателем (без сложной и тяжелой системы привода верхних клапанов).