Много цилиндров — плавный ход

Одноцилиндровый двигатель создаёт толчок один раз за 720°, а затем на протяжении двух полных оборотов ничего не происходит. Он простой, но вибрирует: крутящий момент на коленчатом валу меняется от большого пика до нуля и даже становится отрицательным, а инерция поршня, движущегося вверх и вниз, заставляет вибрировать весь двигатель. Большие маховики помогают, но есть решение получше: больше цилиндров, работающих по очереди.

Если n цилиндров работают равномерно, рабочий ход начинается каждые 720° / n:

• 1 цилиндр: каждые 720°
• 2 цилиндра: каждые 360°
• 4 цилиндра: каждые 180°
• 6 цилиндров: каждые 120°
• 8 цилиндров: каждые 90°

В рядном 4-цилиндровом двигателе один рабочий ход заканчивается как раз в тот момент, когда начинается следующий, поэтому коленчатый вал постоянно получает толчки. Крутящий момент пульсирует гораздо меньше, чем в одноцилиндровом двигателе.

В рядном 4-цилиндровом двигателе шатунные шейки коленвала расположены парами: поршни 1 и 4 движутся вместе, а поршни 2 и 3 — тоже вместе, но с отставанием в пол-оборота. Когда пара находится в верхней точке, один из двух поршней заканчивает такт сжатия (и вот-вот произойдёт воспламенение), а его напарник заканчивает такт выпуска (и вот-вот начнёт впускать свежий воздух), поэтому они всегда отстают друг от друга на полцикла. Распространены два порядка работы цилиндров: 1-3-4-2 (самый обычный) и 1-2-4-3. В обоих случаях цилиндр срабатывает каждые 180°, и цилиндр никогда не срабатывает сразу после соседнего, что уменьшает нагрузку на коленвал и выравнивает поток газа во впускной трубе.

Равномерное зажигание — не единственный фактор. У обычного рядного 4-цилиндрового двигателя всё ещё остаётся небольшая вибрация с частотой, вдвое превышающей скорость двигателя, потому что поршни движутся вверх и вниз несимметрично; в более крупных рядных 4-цилиндровых двигателях для её устранения часто устанавливают балансирные валы. Рядный 6-цилиндровый двигатель, в котором зажигание происходит каждые 120°, по своей природе работает очень плавно, поэтому его так давно ценят, а V8 срабатывает каждые 90°, а его шатунные шейки расположены так, чтобы уравновешивать двигатель.

Означает ли большее число цилиндров большую мощность? Само по себе — нет. Мощность зависит от того, сколько воздуха и топлива двигатель сжигает каждую секунду. Это определяется рабочим объёмом, скоростью и тем, насколько интенсивно работает каждый цикл. Для четырёхтактного двигателя P = p × V_d × N / 2, где p — среднее эффективное давление (постоянное давление, которое совершило бы ту же работу, что и реальное), V_d — общий рабочий объём, а N — число оборотов в секунду. Для двигателя объёмом 2,0 литра при p ≈ 1,0 MPa и 100 rev/s (6 000 rpm): P = 1,0×10⁶ × 0,002 × 100 / 2 = 100 kW. Если распределить те же 2,0 литра между шестью или восемью цилиндрами, мощность будет примерно такой же; двигатель будет работать плавнее и звучать иначе, но мощность не увеличится.

Турбокомпрессор нагнетает больше воздуха, повышая p, а значит, и мощность при том же рабочем объёме. Поэтому современные двигатели небольшого объёма могут быть мощными.