Оппозитный двигатель

Оппозитный двигатель — это тип двигателя внутреннего сгорания, в котором цилиндры расположены горизонтально друг напротив друга, а поршни движутся в противоположных направлениях (навстречу друг другу или в противоположные стороны). Относится к классу поршневых двигателей с кривошипно-шатунным механизмом. Ключевая особенность — угол развала цилиндров составляет 180 градусов, что обеспечивает полную взаимную уравновешенность сил инерции первого порядка и минимальную вибрацию.

История

Первые патенты на конструкцию оппозитного двигателя были получены в конце XIX века. В 1896 году немецкий инженер Карл Бенц разработал двухцилиндровый оппозитный двигатель, который устанавливался на автомобили Benz. Однако широкое распространение эта схема получила в авиации, где требовались компактные и виброустойчивые силовые установки. В 1930-х годах оппозитные двигатели активно использовались на самолётах, в частности, на немецких и американских лёгких машинах.

В автомобилестроении массовое внедрение оппозитных двигателей началось в 1960-х годах. Наибольшую известность получили двигатели немецкой компании Porsche и японской Subaru. Porsche применяла оппозитные моторы на моделях 356, 911 и других, добившись низкого центра тяжести и высокой управляемости. Subaru, начиная с модели Subaru 1000 (1966 год), сделала оппозитный двигатель фирменной чертой всех своих автомобилей, за исключением некоторых малолитражек.

Устройство и принцип работы

В оппозитном двигателе цилиндры располагаются в одной плоскости, параллельно оси коленчатого вала. Поршни движутся горизонтально, при этом в каждом блоке цилиндров (левом и правом) поршни движутся синхронно, но в противоположных направлениях. Коленчатый вал имеет кривошипы, расположенные под углом 180 градусов друг к другу.

Основные элементы конструкции

• Блок цилиндров — отливается из алюминиевого сплава или чугуна, имеет два ряда цилиндров, расположенных горизонтально.
• Коленчатый вал — короткий, с противовесами, компенсирующими инерционные нагрузки.
• Поршни и шатуны — стандартные для поршневых двигателей, но работают в горизонтальной плоскости.
• Головки блока цилиндров — две отдельные головки (левая и правая), каждая со своим газораспределительным механизмом.
• Система смазки — масляный поддон расположен под коленчатым валом, масло подаётся под давлением.
• Система охлаждения — жидкостная или воздушная (в авиационных моделях).

Принцип работы

Рабочий цикл оппозитного двигателя не отличается от четырёхтактного двигателя Отто: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Однако из-за горизонтального расположения цилиндров и 180-градусного развала поршни движутся навстречу друг другу. В момент рабочего хода одного поршня другой поршень в противоположном цилиндре находится в фазе сжатия. Это обеспечивает взаимную компенсацию сил инерции.

Классификация

Оппозитные двигатели классифицируются по нескольким признакам.

По числу цилиндров

• Двухцилиндровые — применяются в мотоциклах (например, BMW R серии), скутерах и лёгких самолётах.
• Четырёхцилиндровые — наиболее распространены в автомобилях Subaru (серии EJ, FB, FA).
• Шестицилиндровые — используются в автомобилях Porsche (например, на Porsche 911), а также в авиации (Lycoming, Continental).
• Восьмицилиндровые — встречаются в спортивных автомобилях (Porsche 917) и экспериментальных моделях.

По типу газораспределения

• С верхним расположением клапанов (OHV) — устаревшая конструкция, клапаны приводятся толкателями.
• С верхним расположением распределительных валов (SOHC, DOHC) — современные двигатели, один или два распределительных вала на головку.

По способу охлаждения

• Жидкостное охлаждение — большинство автомобильных оппозитных двигателей.
• Воздушное охлаждение — широко применялось в авиации и на ранних моделях Porsche (до 1998 года).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Низкий центр тяжести — горизонтальное расположение цилиндров позволяет опустить двигатель ниже, что улучшает управляемость автомобиля.
• Виброустойчивость — полная взаимная уравновешенность сил инерции первого порядка обеспечивает плавную работу без вибраций.
• Компактность по высоте — двигатель занимает мало места под капотом, что позволяет создавать низкие кузова.
• Надёжность — при правильной эксплуатации оппозитные двигатели известны большим ресурсом (до 300–500 тысяч километров).

Недостатки

• Сложность конструкции — два блока цилиндров, две головки, два распределительных вала (или четыре) увеличивают количество деталей и трудоёмкость ремонта.
• Высокая стоимость производства — требуется точная обработка и сборка.
• Сложность обслуживания — доступ к свечам зажигания, форсункам и ремню ГРМ затруднён из-за расположения двигателя.
• Большая ширина — двигатель занимает много места по ширине моторного отсека, что ограничивает угол поворота колёс.
• Неравномерный износ цилиндров — из-за горизонтального расположения поршней масло стекает вниз, что может приводить к неравномерному износу нижней части цилиндра.

Применение

Авиация

Оппозитные двигатели широко использовались в лёгкой авиации. Американские компании Lycoming и Continental производили и продолжают производить четырёх- и шестицилиндровые оппозитные моторы для самолётов общего назначения (Cessna, Piper, Beechcraft). Эти двигатели отличаются надёжностью, простотой обслуживания и возможностью установки в крыло.

Автомобилестроение

• Subaru — с 1966 года все модели (Legacy, Outback, Forester, Impreza, WRX, BRZ) оснащаются оппозитными двигателями. Исключение составляют лишь некоторые малолитражки (Subaru R2, Subaru Vivio) и гибридные версии.
• Porsche — оппозитные двигатели устанавливаются на все модели 911, а также на Boxster, Cayman и некоторые версии Cayenne (до 2010 года).
• Volkswagen — на модели Volkswagen Beetle и Volkswagen Transporter (T1, T2, T3) устанавливались оппозитные двигатели воздушного охлаждения.
• Chevrolet — в 1960-х годах выпускался Chevrolet Corvair с оппозитным шестицилиндровым двигателем.
• Tatra — чешская компания использовала оппозитные двигатели на грузовиках (Tatra 815) и легковых автомобилях (Tatra 603).

Мотоциклы

Оппозитные двигатели устанавливаются на мотоциклы BMW (серии R, K) и некоторые модели Ural. В мотоциклах оппозитная схема обеспечивает низкий центр тяжести и хорошую устойчивость.

Интересные факты

• Самый мощный серийный оппозитный двигатель — 6,2-литровый V8 на Porsche 918 Spyder (887 л. с. в гибридной установке).
• Subaru разработала оппозитный дизельный двигатель (EE20), который устанавливался на модели Legacy и Outback с 2008 по 2018 год.
• В авиации оппозитные двигатели часто называют «boxer» (боксёр) из-за движения поршней, напоминающего удары боксёра.
• Компания Porsche в 2020 году объявила о прекращении разработки новых оппозитных двигателей для автомобилей, сосредоточившись на электромобилях.

Критика

Оппозитные двигатели критикуются за высокую стоимость ремонта и обслуживания. Замена свечей зажигания на Subaru требует снятия впускного коллектора, а ремонт головки блока цилиндров — демонтажа двигателя. Также отмечается склонность к перегреву при длительной работе на высоких оборотах из-за неэффективного отвода тепла от нижних цилиндров. В России оппозитные двигатели Subaru получили репутацию «капризных» из-за чувствительности к качеству масла и топлива.

Источники

• Книга: «Двигатели внутреннего сгорания. Конструкция и расчёт» — под редакцией А. С. Орлина, 1985.
• Журнал «За рулём», статьи о двигателях Subaru и Porsche, 2000–2020 гг.
• Техническая документация Subaru: руководства по ремонту двигателей серий EJ, FB, FA.
• Официальные пресс-релизы Porsche AG о двигателях 911.
• Материалы FAA (Federal Aviation Administration) по авиационным двигателям Lycoming и Continental.