Введение

Рядный четырехцилиндровый двигатель – это четырехцилиндровый поршневый двигатель, в котором цилиндры расположены в ряд вдоль общего коленчатого вала. Большинство автомобильных четырехцилиндровых двигателей имеют рядную конфигурацию, которая также широко распространена в мотоциклах и другой технике. Поэтому термин "четырехцилиндровый двигатель" обычно подразумевает именно рядный двигатель. Если рядный четырехцилиндровый двигатель установлен под углом (вместо вертикального расположения цилиндров), его иногда называют наклонным рядным двигателем. В период с 2005 по 2008 год доля новых автомобилей, проданных в США с четырехцилиндровыми двигателями, возросла с 30% до 47%. К 2020 модельному году доля легковых автомобилей увеличилась до 59%.

Дизайн

Четырехтактный рядный четырехцилиндровый двигатель всегда имеет цилиндр в фазе рабочего хода, в отличие от двигателей с меньшим количеством цилиндров, где в определенные моменты времени рабочий ход отсутствует. По сравнению с V-образным четырехцилиндровым двигателем или оппозитным четырехцилиндровым двигателем, рядный четырехцилиндровый двигатель имеет только одну головку блока цилиндров, что упрощает конструкцию и снижает производственные затраты.

Вытеснение

Бензиновые рядные четырехцилиндровые двигатели, используемые в современных серийных автомобилях, обычно имеют рабочий объем , но в прошлом использовались двигатели большего объема, например, Bentley 4½ Litre 1927–1931 годов выпуска. Дизельные двигатели производились с большим рабочим объемом, например, 3,2-литровый турбированный двигатель Mitsubishi (используется в SUV Pajero/Shogun/Montero) и 3,0-литровый двигатель Toyota. Европейские и азиатские грузовики с полной массой от 7,5 до 18 тонн обычно оснащаются рядными четырехцилиндровыми дизельными двигателями с рабочим объемом около 5 литров. Двигатели большего рабочего объема встречаются в локомотивах, морских и стационарных установках. Рабочий объем может быть и очень небольшим, как в автомобилях кей-кар, продаваемых в Японии. Некоторые из этих двигателей имели четыре цилиндра в период, когда нормативные требования ограничивали максимальный рабочий объем 550 куб. см; в настоящее время максимальный объем составляет 660 куб. см.

Первичный и вторичный баланс

Прямые четырехцилиндровые двигатели с предпочтительной конфигурацией коленчатого вала обладают идеальным первичным балансом. Это происходит потому, что поршни движутся парами, и одна пара поршней всегда движется вверх одновременно с движением вниз другой пары. Однако у четырехцилиндровых рядных двигателей присутствует вторичный дисбаланс. Он обусловлен тем, что ускорение и замедление поршней в верхней половине оборота коленчатого вала больше, чем в нижней половине (из-за конечной длины шатунов). В результате два поршня всегда ускоряются быстрее в одном направлении, а другие два – медленнее в противоположном, что приводит к вторичному динамическому дисбалансу, вызывающему вертикальные колебания с частотой, вдвое превышающей частоту вращения коленчатого вала. Этот дисбаланс характерен для всех поршневых двигателей, но особенно заметен в четырехтактных рядных четверках из-за одновременного движения двух поршней. Величина этого дисбаланса определяется массой движущихся частей, отношением длины шатуна к ходу поршня и максимальной скоростью поршня. Поэтому двигатели малого объема с легкими поршнями демонстрируют незначительный эффект, а в гоночных двигателях используются длинные шатуны. Однако влияние дисбаланса растет пропорционально квадрату частоты вращения (оборотов в минуту).

Пульсации в передаче мощности

Четырехтактные двигатели с пятью и более цилиндрами способны иметь как минимум один цилиндр, находящийся в фазе рабочего хода в любой момент времени. Однако в четырехцилиндровых двигателях возникают перерывы в подаче мощности, так как каждый цилиндр завершает рабочий ход до того, как следующий поршень начинает новый. Эта пульсирующая подача мощности вызывает большие вибрации, чем в двигателях с более чем четырьмя цилиндрами.

Использование в гоночных автомобилях

Многие ранние гоночные автомобили использовали рядные четырехцилиндровые двигатели, однако двигатель Peugeot, победивший в гонке Indianapolis 500 в 1913 году, оказал огромное влияние на дальнейшее развитие. Разработанный Эрнестом Генри, этот двигатель имел двойной верхний распредвал (DOHC) с четырьмя клапанами на цилиндр – компоновка, которая стала стандартом для гоночных рядных четырехцилиндровых двигателей и сохраняется до сих пор. Среди двигателей, вдохновленных конструкцией Peugeot, был двигатель Миллера, успешно использовавшийся в гонках на протяжении 1920-х и начала 1930-х годов. Двигатель Миллера эволюционировал в двигатель Offenhauser, который пользовался большим успехом с 1933 по 1981 год, включая пять побед подряд в Indianapolis 500 с 1971 по 1976 год.

Использование в мотоциклах

Бельгийский производитель оружия FN Herstal, который начал выпускать мотоциклы в 1901 году, в 1905 году начал производство первых мотоциклов с рядными четвёрками. В двигателе FN Four коленчатый вал был расположен продольно, а сам двигатель – вертикально. Такую же компоновку использовали и другие производители, такие как Pierce, Henderson, Ace, Cleveland и Indian в США, Nimbus в Дании, Windhoff в Германии и Wilkinson в Великобритании. Первым мотоциклом с 4-цилиндровым двигателем, расположенным поперек рамы, стал гоночный Gilera 500 Rondine 1939 года, оснащенный двумя верхними распредвалами, нагнетателем и системой жидкостного охлаждения. Современные рядные четвёрки стали популярными благодаря Honda SOHC CB750, представленной в 1969 году, а в 1970-х годах им последовали и другие производители. С тех пор рядный двигатель стал одной из самых распространенных конфигураций для дорожных мотоциклов. За пределами класса круизеров, рядный двигатель является наиболее распространенной конфигурацией благодаря относительно высокому соотношению мощности и стоимости. Все крупные японские производители мотоциклов предлагают модели с рядными четвёрками, как и MV Agusta и BMW. Ранние рядные четвёрки BMW устанавливались горизонтально вдоль рамы, но все современные четырехцилиндровые мотоциклы BMW имеют поперечное расположение двигателя. Компания Triumph также предлагала мотоциклы с рядными четвёрками, однако их выпуск был прекращен в пользу тройных двигателей. Yamaha R1 2009 года оснащена рядным двигателем, порядок работы цилиндров которого отличается от стандартного 180°. Вместо этого используется коленчатый вал со смещенными фазами, который предотвращает одновременное достижение поршнями верхней мертвой точки. Это обеспечивает лучшую балансировку и особенно полезно на высоких оборотах, а теория "порядка зажигания большого взрыва" утверждает, что неравномерная подача крутящего момента на заднее колесо облегчает контроль за заносом в поворотах на гоночных скоростях. Рядные четвёрки также используются в MotoGP командами Suzuki (с 2015 года) и Yamaha (с 2002 года). В 2010 году, с введением класса Moto2 с четырехтактными двигателями, двигателями для этого класса стали рядные четвёрки Honda, созданные на базе CBR600RR с максимальной мощностью. Начиная с 2019 года, эти двигатели были заменены на тройные двигатели Triumph.

Использование в легких и средних коммерческих транспортных средствах

Рядные четырехцилиндровые двигатели также используются в легких коммерческих автомобилях, таких как Karsan Jest и Mercedes-Benz Sprinter.