Однако в серийном производстве есть двигатели со «странным» числом цилиндров. General Motors использует на автомобилях Opel/Vauxhall Corsa трехцилиндровый 1-литровый двигатель, такую же конструкцию используют некоторые японские производители. Audi, Fiat, Honda и Volvo предлагают пяти цилиндровые рядные двигатели, a Volkswagen устанавливает двигатель странной конфигурации VR5 на Golf. Chrysler устанавливает на свой большой спортивный автомобиль Viper двигатель VI0, a Porsche недавно продемонстрировал свой VI0. Энтузиасты автомобильного спорта хорошо знают, что большинство успешных автомобилей «Формулы-1» комплектовались в последние годы двигателями VI0.


Но мы уже говорили, что для действительно равномерной работы двигатель должен быть хорошо сбалансирован. Одноцилиндровый двигатель работает неравномерно не только из-за больших интервалов между рабочими ходами, но и из-за действия реакций. Каждый раз, когда поршень движется вниз или вверх, двигатель и та часть автомобиля, где он установлен, будет стремиться сдвинуться в обратном направлении. Конечно, вы можете попытаться устранить этот эффект с помощью противовесов, установленных на коленчатый вал, которые движутся вверх, когда поршень перемещается вниз и наоборот. Однако поскольку противовесы вращаются вместе с коленчатым валом, они также совершают движение вправо-влево.


Таким образом, в одноцилиндровом двигателе вы можете устранить колебания вверх-вниз, но только за счет появления боковой тряски.


Если вы имеете два цилиндра в одном ряду, все становится намного проще. Не только потому, что на один рабочий ход вы имеете один оборот вала вместо двух, но и потому, что, если вы организуете работу двигателя так, что, когда один поршень движется вниз, другой будет двигаться вверх, тряска вверх-вниз самоустраняется. К несчастью, появляется перемещение вперед-назад, потому что, как говорят, поршни не сбалансированы в передне-заднем направлении. Если передний поршень движется вниз, а задний вверх, тогда передняя часть двигателя будет перемещаться вверх, а задняя вниз.


При этом появятся вибрации, которые будут передаваться на корпус и, соответственно, на пассажиров автомобиля. Для устранения таких колебаний потребуется применение эластичных опор. В оппозитном 2-цилиндровом двигателе, в котором поршни движутся навстречу друг другу, дисбаланс меньше, но поскольку поршни не находятся на одной линии, будет возникать момент, вызывающий колебания двигателя вокруг вертикальной оси, хотя эти колебания по величине не идут ни в какое сравнение с колебаниями рядного 2-цилиндрового двигателя. Оппозитные 4-цилиндровые двигатели таких знаменитых автомобилей, как VW Beetle, Alfa Romeo Alfasud и большинство Subaru, хотя и имеют сходную конструкцию, гораздо более уравновешены, в то время как 6-цилиндровый оппозитный двигатель Porsche 911 еще более уравновешен. Такие двигатели, кроме того, дают возможность снизить центр тяжести автомобиля, а в случае установки на переднеприводный автомобиль облегчают создание пологого капота, что способствует улучшению аэродинамики автомобиля. С другой стороны, они более дороги в производстве и сложны в обслуживании. Например, проверка и замена свечей зажигания на таких двигателях никогда не бывает простой процедурой.


Помимо сил инерции «первого порядка», которые должны приниматься во внимание при конструировании автомобильных двигателей, имеется проблема сил инерции «второго порядка», вызванной движением шатунов, которые перемещаются не только вверх и вниз, но и качаются из стороны в сторону, когда вращается коленчатый вал при перемещении поршней. Поршень при этом толкает шатун то в одну сторону, то в другую. Такое явление может быть уменьшено, если сделать шатун более длинным так, чтобы угол качания стал меньше, но это приводит к тому, что сам двигатель становится выше и появляются трудности с его установкой. При анализе сил, вызывающих дисбаланс двигателя, особенно сил «второго порядка», появляется необходимость в применении довольно сложной математики, но основное заключение, которое можно сделать, это то, что 4-цилиндровый рядный двигатель достаточно хорошо сбалансирован, а рядный 6-цилиндровый двигатель сбалансирован практически абсолютно, потому что силы, вызываемые движением поршней и шатунов, противодействуют друг другу. Из этого можно сделать вывод, что V-образные 8-цилиндровые двигатели, представляющие собой два четырехцилиндровых рядных двигателя с общим коленчатым валом, всегда достаточно хорошо сбалансированы, а двигатель V-12 превосходно сбалансирован. Совершенство конструкции двигателя V-8 зависит от конструкции коленчатого вала, от того, как установлены коренные подшипники, в одной или в двух плоскостях и под правильными углами. Кроме того, «идеальный» угол между рядами цилиндров двигателя V-8, для уменьшения сил «второго порядка» равен 90°, в то время как для V-12 этот угол составляет 60° (или 120°, но такой угол развала цилиндров приводит к тому, что двигатель получается очень широким и возникают трудности при его установке).


6-цилиндровый рядный двигатель практически полностью сбалансирован, вот почему BMW остается верной этому типу двигателя, хотя двигатель V-6 гораздо меньше по размерам и легче устанавливается на автомобиль, особенно при поперечном расположении на переднеприводных автомобилях. С механической точки зрения двигатель V-6 представляет собой половину двигателя V-12, и идеальный угол между рядами его цилиндров составляет 60° (или 120° или 180°, другими словами мы пришли к оппозитному 6-цилиндровому двигателю Porsche). Тем не менее существует несколько двигателей V-6, которые имеют угол между цилиндрами меньше, чем 90°. Примером некоторых из них могут служить: двигатель V-6 старого Скгоёп Maserati SM, а также двигатели совместного предприятия «PRV», 6-цилиндровые двигатели которого устанавливались на некоторые модели Pegeot, Renault и Volvo моделей 80-х годов, которые начали жизнь, как двигатели V-8, а затем были «обрезаны» на два цилиндра. Все другие двигатели V-6 имеют угол между цилиндрами 90°, который дает возможность сделать двигатель шире, но ниже, что имеет важное значение, если лимитируется высота капота, а не ширина. Кроме того, большой угол развала цилиндров дает возможность для более свободного размещения между рядами цилиндров больших и сложных систем впуска воздуха и впрыска топлива. Требования к компоновке автомобиля могут привести к тому, что силы, вызывающие дисбаланс, могут быть отодвинуты на второй план, альтернативой этому могут послужить балансирные валы, которые приводятся во вращение от коленчатого вала и имеют выступающие противовесы, которые при точном расчете их величины и места установки могут полностью компенсировать дисбаланс двигателя.


На практике обычно устанавливаются два балансирных вала. Возвращаясь к нашему одноцилиндровому двигателю с его противовесами на коленчатом валу, компенсирующими колебания вверх и вниз, но вместо этого вызывающими колебания из стороны в сторону, можно сделать вывод, что эти колебания можно ликвидировать, если иметь второй вал, на котором противовесы развернуты относительно противовесов на коленчатом валу на 180°. Этот вал ликвидирует боковое раскачивание двигателя, но, к глубокому сожалению, вернет тряску вверх и вниз, с которой боролись противовесы коленчатого вала. Если же вы выбросите противовесы и установите два балансирных вала, вращающихся в противоположных направлениях, то каждый из них будет гасить боковое раскачивание, а вместе они будут компенсировать вертикальное раскачивание, и, в конце концов, вы получите двигатель, который работает без тряски (справедливости ради нужно отметить, что одноцилиндровый двигатель никогда не будет полностью сбалансирован).


Такая конструкция балансирных валов может использоваться для уменьшения вибраций больших 4-цилиндровых рядных двигателей. Такой способ стал популярным примерно 10 лет назад, хотя пионером этого способа является компания Porsche с моделями 944 и 968 серии, которая использовала этот способ на несколько лет раньше. Для того чтобы ликвидировать все силы «второго порядка», вызывающие дисбаланс в 4-цилинд-ровом рядном двигателе, нужны два балансирных вала. Размещение этих валов в двигателе тщательно рассчитывается. Как правило, один устанавливается выше другого. Хотя, когда Ford разработал конструкцию 2,4-литрового 4-цилиндрового двигателя Cosworth DOHC, два балансирных вала были установлены рядом в масляном поддоне, и такая компоновка показала хорошие результаты.


Балансирные валы еще более важны, когда для двигателя выбрано «непривычное» число цилиндров. Мы уже отмечали, почему делается такой выбор, например, для того, чтобы не получить отдельные цилиндры слишком большими или маленькими для эффективной работы. Но существуют также «модульные» двигатели, в которых, например, больший рабочий объем 5-цилиндрового двигателя получают простым присоединением к 4-цилиндровому еще одного цилиндра (при этом двигатель может собираться на той же технологической линии), что получается гораздо дешевле, чем изготовление нового 6-цилиндрового двигателя. Ford и Fiat производят рядные 5-цилиндровые двигатели, которые созданы таким образом и имеют своих 4-цилиндровых братьев. Модульный принцип построения используется на Volvo до 6-цилиндрового двигателя.


Предположение, что любой 5-цилиндровый двигатель устанавливается на автомобиль для улучшения его потребительских свойств, приводит к выводу, что необходима установка хотя бы одного балансирного вала для уменьшения его внутреннего дисбаланса. Вал может быть использован также для коррекции дисбаланса 3-х цилиндрового двигателя, но поскольку такие двигатели характерны для маленьких автомобилей невысокой стоимости, может быть принято решение предпочесть вибрацию значительному удорожанию конструкции за счет применения валов, шкивов, ремней или цепей для их привода. Современные способы монтажа двигателя, которые замечательно гасят вибрации, и тщательная проработка таких компонентов, как противовесы коленчатого вала, приводят к тому, что вибрация внутри автомобиля практически незаметна, и только непривычный звук, производимый двигателем, выдает тот факт, что у него только три цилиндра.


В двигателях V-10, вероятно, всегда останется необычность. Они подтвердили свой успех в автомобилях «Формулы-1» вследствие нескольких причин: восемь цилиндров оказалось слишком мало (воздушный поток, проходящий через двигатель слишком ограничен для получения предельных мощностей), в то время как двенадцать слишком много (высокие паразитные потери, особенно внутреннее трение).


Идеальный угол между рядами цилиндров для V-10 — 72° (360° деленные на пять), или, конечно, 144°, которые никто не попробовал на практике. Угол 72° оставляет больше пространства для размещения впускных трубопроводов и оборудования системы впрыска. Хотя такой двигатель и не полностью сбалансирован, при таком большом числе цилиндров его работа достаточно равномерна, и он не требует установки дополнительного балансирного вала.


Как нами было показано на примере 3-цилиндрового двигателя, нет необходимости обеспечения абсолютной балансировки, для того чтобы его работа воспринималась равномерной. История моторов, вплоть до настоящего времени, имеет много других примеров двигателей «необычной» компоновки, обусловленной в основном обеспечением компактности и легкости установки. Например, Lancia выпустила целую серию двигателей V-4, в которых угол между рядами цилиндров был очень маленьким, для того чтобы сделать двигатель немного короче, чем рядный 4-цилиндровый, хотя и немного шире. Последним из таких «малоугольных» двигателей Lancia V-4 был 1,6-литровый двигатель, устанавливавшийся на Fulvia и Fulvia Coupe, которые были победителями ралли Монте-Карло в 70-е годы. Lancia также экспериментировала с «малоугольными» двигателями V-6, V-8 и V-12, образцы которых выставлены в музее Lancia в Турине.


В 90-е годы Volkswagen возродил узкую V-образную концепцию, изготовив чрезвычайно компактный двигатель V-6 объемом 2,8 литра с углом развала цилиндров 15°, для использования на автомобиле Golf и других моделях с поперечным расположением двигателя и приводом на передние колеса. Хотя угол ровно в 15° кажется довольно подозрительным каждому, кто знаком с «узкими» двигателями Lancia (точно рассчитанный оптимальный угол между рядами цилиндров Lancia измерялся с точностью до минут и секунд), двигатель Volkswagen VR-6 если и не был выдающимся, доказал свой успех. Еще больший интерес представляет двигатель, у которого был «убран» один цилиндр — VR-5 с объемом 2,3 литра. Эти два двигателя, грамотно смонтированные на кузова автомобилей Golf и Passat, доказали приемлемую уравновешенность при работе.