Это во многом определило их компоновочные схемы и конструктивные решения. Как для газовых двигателей, так и для дизелей широко использовался опыт, накопленный при создании паровых машин. Это были двигатели двойного действия, в которых процесс сгорания происходит последовательно с обеих сторон поршня (рис. 76). Такой принцип работы возможен только при использовании кривошипно-шатунного механизма с направляющим ползуном - крейцкопфом. На тихоходных стационарных двигателях большой мощности одинарного действия крейцкопфный механизм сохранялся еще долгое время.
Рис. 76. Дизель двойного действия: 1 - крейцкопф; 2 - поршень; 3 - механизм газораспределения; А, Б - рабочие полости соответственно над поршнем и под ним
Стремление повысить мощность привело к созданию многоцилиндровых дизелей (рис. 77) с числом цилиндров от 2 до 6. Сначала это были как бы отдельные двигатели, приводящие в движение общий вал, уложенный в единой фундаментной плите, к которой болтами крепились цилиндры с их стойками. Позже появились двигатели картерного типа, в которых отдельные цилиндры 1 (рис. 78) крепились к картеру 2 (общему корпусу) в виде коробчатой отливки, и картер устанавливался на фундаментную плиту 3. Подобная конструкция корпусных деталей в основном сохранилась и для современных судовых двигателей.
Рис. 77. Трехцилиндровый дизель с отдельными стойками цилиндров: 1 - цилиндры; 2 - стойка цилиндров; 3 - фундаментная плита; 4 - компрессор
Рис. 78. Дизель картерного типа с крейцкопфом: 1 - цилиндр; 2 - картер; 3 - фундаментная плита
Повышение агрегатной мощности достигалось не только вследствие увеличения числа цилиндров. Для промышленных газовых двигателей весьма распространенной была тандемная компоновка поршней на одном штоке (рис. 79). Двигатели с диаметром поршней и ходом более 1 м представляли огромные сооружения общей длиной более 20 м и массой (с маховиком) около 400 т.
Рис. 79. Газовый двигатель с тандемной компоновкой поршней: 1 - поршни; 2 - общий шток
Такие гиганты располагались горизонтально для удобства обслуживания, чтобы не сооружать очень высоких корпусов машинных станций.
Газовые двигатели для промышленных установок довольно быстро отошли на второстепенные позиции, уступив первенство дизелям, способным работать на сырой нефти. Но и мощные дизели тех времен представляли собой внушительные инженерные конструкции высотой более 6 м. Поскольку аналогичные промышленным двигатели устанавливались и на судах, то наиболее удобной оказалась вертикальная компоновка цилиндров, так как на судне сложно разместить двигатель, расположенный горизонтально, работавший на продольный гребной вал.
Удельная масса промышленных и судовых двигателей на первых порах была чрезвычайно высока - до 200 кг/кВт, и только к 20-му г. нашего столетия постепенно снизилась до 30...50 кг/кВт.
Конечно, наряду с большими мощными газовыми двигателями и дизелями как для мелких предприятий или мастерских, так и для локомобилей, малых судов и тепловозов выпускались двигатели мощностью в несколько киловатт или несколько десятков киловатт.
При общей компоновке стационарного или судового двигателя следует помнить о его размерах и технологических возможностях изготовления корпусных деталей. Для двигателей средней мощности компоновка с единым картером вполне приемлема, а супердвигатели удобнее сооружать в виде отдельных станин под цилиндрами.
Для автомобилей, тракторов и подобных машин вплоть до 30-х гг. отдавали предпочтение двигателям, работавшим на легких топливах - бензине или керосине.
Первые двигатели имели привод на колеса через ременную передачу, поэтому могли располагаться вертикально (см. рис. 53) или горизонтально с валом параллельно оси колес под полом экипажа (см. рис. 49). Но в 1878 г. А. Болле были созданы колесный дифференциал и главная передача с коническими шестернями, с помощью которой стало возможно расположить выходной вал двигателя перпендикулярно полуосям. В 1891 г. на автомобиле Панар и Левассор (рис. 80) с-двухцилиндровым двигателем Даймлера появилась классическая компоновка трансмиссии - двигатель впереди, вал двигателя параллельно оси автомобиля, сцепление, коробка передач и главная передача с дифференциалом. Такая компоновка сохранилась на подавляющем большинстве автомобилей до наших дней и предопределила на начальном этапе развития двигателей для автомобилей рядное вертикальное расположение цилиндров.
Рис. 80. Автомобиль с двухцилиндровым двигателем Даймлера: 1 - цепная передача на колесо; 2 - конические шестерни главной передачи; 3 - коробка передач; 4 - двигатель
Как и на судовых двигателях, основной несущей деталью был картер, состоявший из двух половин, плоскость разъема которых проходила по оси коленчатого вала. В ряде конструкций (например, двигатель фирмы Даймлер, рис. 81) нижняя половина картера несла постели 1 подшипников, в других двигателях литая нижняя половина картера обеспечивала жесткость замкнутой конструкции, но выполняла функцию поддона. Крышки коренных подшипников крепились к верхней половине картера. К картеру присоединялись индивидуальные цилиндры с самостоятельными рубашками охлаждения, а чаще слитые вместе пары цилиндров.
Рис. 81. Двигатель фирмы Даймлер:1 - привод гильзы-золотника; 2 - постель подшипника; 3 - гильза-золотник
Хотя единый блок четырех цилиндров был создан еще в 1899 г., попарное блокирование цилиндров не только на автомобильных, но даже на авиационных шести-, восьмицилиндровых двигателях сохранялось вплоть до 30-х гг. Подобные двигатели имели довольно много недостатков; большая длина и малая жесткость, большое число стыков различных трубопроводов (охлаждения, впускного, выпускного и т.п.) и, следовательно, их низкая надежность. Поэтому все большую популярность стали приобретать двигатели с цилиндрами, выполненными в едином блоке.
Дальнейшее развитие конструкции привело к объединению верхней половины картера с блоком цилиндров в единую деталь - блок-картер, который на автомобильных двигателях стал широко применяться со второй половины 30-х гг. Причем цилиндры малолитражных двигателей отливались как одно целое с блок-картером, а для больших - делались вставные гильзы цилиндров по образцу дизелей МАН, которые появились на грузовых автомобилях в 1928 г. Эт. Бугатти предложил интересную компоновку автомобильных двигателей, которые имели блок цилиндров 2 (рис. 82), отлитый как одно целое с головкой 1 и коренными опорами 3 коленчатого вала. Нетрадиционна компоновка двигателя Феррари (рис. 83), в котором картер имел вставные гильзы цилиндров, а к нему крепились головка с наружными стенками 4 блока цилиндров.
Рис. 82. Двигатель Бугатти
Рис. 83. Двигатель Феррари: 1 - головка цилиндра; 2 - цилиндр; 3 - корпус опоры; 4 - наружные стенки блока цилиндров
В авиационных двигателях, в которых большую роль играет его удельная масса, применялась звездообразная компоновка пяти-девяти цилиндров в одной плоскости.
Хотя уже были созданы двигатели (см. рис. 71) с цилиндрами и картером, вращавшимся вместе с винтом относительно неподвижного кривошипного вала, но в 1909 г.
русский инженер Анатолий Георгиевич Уфимцев построил двигатель (рис. 84) биротативного типа, в котором вал и цилиндры с картером вращались в противоположные стороны. Тем не менее наиболее разумной схемой все-таки следует признать звезду (рис. 85) с неподвижными цилиндрами, так как отпадают многие проблемы с подачей топлива, смазочного масла, тока высокого напряжения на свечи зажигания и т. п.
Рис. 84. Авиационные двигатели: а - биротативното типа Уфимцева (1909 г.); б - Нестерова (1914 г.)
Рис. 85. Звездообразный двигатель М-11 Швецова
Постоянно растущие требования к единичной мощности двигателей привели к созданию многорядной звездообразной компоновки, а на базе рядных четырех-, шестицилиндровых двигателей возникли компоновки с V и W-образным расположением цилиндров (рис. 86).
Рис. 86. W-образный двигатель фирмы Нэпир
Концепция современного двигателя автомобильного типа как относительно компоновки кривошипно-шатунного механизма, конструкции корпусных деталей, так и относительно остальных механизмов сформировалась уже к началу четвертого десятилетия XX в. и сохранилась до наших дней. Тем не менее отдельные узлы и механизмы в рамках общей сложившейся концепции проделали достаточно интересный путь развития.