Enjinkonfigurasie Verduidelik: Reguit, V-Vorm, en Plat Enjins

Met die aanbreek van die 20ste eeu, toe motorengineerswese teen volle spoed gevorder het, kon ‘n 10-liter enjin óf ‘n enkelsilinder-eenheid wees, óf, sê maar, ‘n reguit-agt. Destyds het niemand geskrik vir ‘n 23-liter reguit-ses of ‘n sewesilinder-radiaal-vliegtuigenjin wat in ‘n motor ingebou is nie.

Soos massaproduksie toegeneem het en kostedruk geïntensiveer het, het alles op sy plek geval. Die enkelsilinder-enjin het ‘n relik van die verlede geword. Vandag sit die gemiddelde silinderverdraaiing in ‘n konvensionele motorenjin tussen 300 en 600 kubieke sentimeter, met spesifieke uitset wat wissel van ongeveer 35 pk/l in ‘n natuurlik geaspireerde dieselenjin tot 100 pk/l in ‘n hoëprestasie-petrolenjin. Dit is die optimale punte vir massaproduksie — daarbuite beweeg is eenvoudig nie ekonomies nie.

Hoe lyk die moderne enjinlandskap dan? In die algemeen gesproke:

• ‘n 100 pk-enjin het tipies vier silinders
• ‘n 200 pk-enjin het gewoonlik vier, vyf of ses silinders
• ‘n 300 pk-enjin gebruik gewoonlik agt silinders

Maar hoe kan hierdie silinders eintlik gerangskik word? Watter uitlegopsies het ingenieurs wanneer hulle ‘n veelsilinder-enjin ontwerp? Kom ons kyk daarna.

Reguit Enjins: Eenvoudig maar Toenemend Onprakties

Die nommer een vraag in enige enjinontwerper se gedagtes is hoe om die ontwerp te vereenvoudig — produksiekoste laag te hou en onderhoud eenvoudig te maak. In dié opsig wen die inlynse (reguit) enjin met hande neer. Silinders word in ‘n enkele ry gerangskik, en die kapasiteit vergroot is so maklik soos om meer by te voeg.

Hier is hoe inlyn-enjinvariante in die praktyk uiteenval:

• Twee- en driesilinder-enjins is relatief skaars in motors, hoewel die tweesilinder-formaat besig is om ‘n terugkeer te maak danksy gevorderde brandstofinspuiting en turbolaaiing — die 85 pk-turbogeleide tweesilinder in die Fiat 500 is ‘n goeie voorbeeld.
• Die reguit-vier is die werksperd van die passasiersmotor-wêreld, wat verplaasings van 1,0 tot 2,4 liter dek.
• Reguit-vyf enjins is ‘n meer onlangse ontwikkeling. Mercedes-Benz het die dieselvyfsilinder in 1974 gepioneer (die 300D op die W123-platform), gevolg deur Audi se twee-liter-petrol-vyfsilinder twee jaar later, toe Volvo en Fiat in die laat 1980’s aangesluit het.
• Reguit-ses-enjins, lank ‘n Europese gunsteling vanweë hul gladheid, het al hoe skaarsder geword. Hul selfs langer sibling, die reguit-agt, is effektief reeds in die 1930’s laat vaar.

Die rede vir hierdie tendens is eenvoudig: hoe meer silinders jy byvoeg, hoe langer word die enjin — en dit skep ernstige inpassingsprobleme. Om ‘n reguit-ses byvoorbeeld dwars in ‘n voorwielaangedrewe enjinkamper in te pas, is slegs in ‘n handvol gevalle reggekry: die Austin Maxi 2200 (wat vereis het dat die ratkas onder die enjin ingetrek word) en die Volvo S80 met sy uiters kompakte ratkas.

V-Vorm en Plat Enjins: Kompak maar Kompleks

Hoe verkort jy dan ‘n inlynse enjin? Die elegante oplossing: sny dit middeldeur, plaas die twee helftes langs mekaar, en dryf ‘n enkele krukas met albei. Dit is die wese van die V-enjin.

Die mees algemene V-enjinkonfigurasies gebruik ‘n ingeslote hoek van 60° of 90° tussen die silinderbankke. Stoot dié hoek heeltemal na 180° — silinders wat direk van mekaar af wys — en jy kry ‘n plat enjin, ook bekend as ‘n boksenjin (vandaar die B2, B4, B6-benamings).

Die kompromisse in vergelyking met ‘n reguit-enjin is aansienlik:

• Twee silinderkkoppe — elkeen met sy eie pakking en spruitstukke
• Meer nokusse en ‘n meer komplekse klep-aandryfreëling
• Groter breedte (veral vir plat enjins), wat beperk waar hulle geïnstalleer kan word
• Hoër vervaardigingskoste en meer komplekse onderhoud

As gevolg van hierdie nadele word plat enjins deur slegs ‘n klein aantal vervaardigers gebruik — Porsche en Subaru is vandag die mees noemenswaardige.

Wat van die verklein van die ingeslote hoek onder 60° om ‘n V-enjin nog meer kompak te maak? Dit is al gedoen — die Lancia Fulvia van die 1970’s het ‘n V4 met ‘n blote 23°-hoek gebruik. Maar daar is ‘n nadeel: hoe nouer die hoek, hoe moeiliker is die enjin om te balanseer. Dit bring ons by een van die mees kritiese uitdagings in enjinontwerp.

Enjintrillings: Kragte, Koppels, en Hoe om Dit te Beheer

Geen suier-verbrandingsenjin is heeltemal vry van trillings nie — dit is inherent aan die ontwerp. Maar die bestuur van trillings is kritiek, nie net vir passasiersgemak nie. Ernstige ongebalanseerde trillings kan enjinkomponente fisies vernietig, met al die katastrofiese gevolge wat gepaard gaan met onderdele wat teen hoë spoed losraak.

Waar kom enjintrillings vandaan? Daar is drie hoofbronne:

• Ongelyke aanstekingsintervalle — in sommige enjinkonfigurasies brand kragslae nie teen presies gelyke intervalle nie, wat draaigolf skep. ‘n Swaarder vliegwiel kan dit help glad stryk.
• Suier-traagheidskragte — soos suiers opwaarts versnel en by die bokant van hul slag vertraag (en omgekeerd aan die onderkant), genereer hulle traagheidskragte soortgelyk aan wat jy voel wanneer ‘n motor rem of versnel.
• Dryfstanggeometrie — die dryfstang beweeg nie in ‘n reguit lyn nie, en die suier se beweging is nie ‘n perfekte sinusgolf nie, wat addisionele kragkomponente by veelvoude van krukasspoed invoer.

Hierdie hoër-orde traagheidskragte is oor die algemeen weglaatbaar — behalwe vir tweede-orde kragte, wat teen dubbel die krukas-frekwensie werk en altyd in ag geneem moet word. Wanneer traagheidskragte in aangrensende silinders in teenoorgestelde rigtings op ‘n vaste afstand van mekaar werk, genereer hulle ook draaigokoppels, wat nog ‘n laag van kompleksiteit byvoeg.

Ingenieurs het twee hoofgereedskap om hierdie kragte te beveg:

• Kies ‘n inherent gebalanseerde konfigurasie — rangskik silinders en krukasgooie sodat kragte en koppels mekaar natuurlik ophef.
• Voeg balansasse toe — sekondêre asse met teengewigte wat in die teenoorgestelde rigting van die krukas roteer, wat gelyke en teenoorgestelde kragte genereer. Dit voeg koste en meganiese kompleksiteit by, maar kan problematiese trillingmodes volledig neutraliseer.

Van alle algemene enjinuitleggers is slegs twee teoreties perfek gebalanseer: die reguit-ses en die plat-ses. Dit is presies hoekom BMW en Porsche so hardnekkig aan hierdie konfigurasies vasgehou het — en hoekom ander huiwerig was om dit te verlaat ten spyte van die inpassingsuitdagings.

Enjinbalans per Konfigurasie: ‘n Praktiese Gids

Kom ons kyk hoe elke hoof-enjinkonfigurasie in die werklike wêreld vaar wat betref trillings en balans.

Tweesilinder reguit-enjins (krukas in dieselfde rigting) gedra hulself soortgelyk aan ‘n enkelsilinder in terme van balans — albei suiers styg en daal in fase. Die Russiese Oka het twee teen-roterende balansasse gebruik om eerste-orde traagheidskragte aan te pak, maar tweede-orde kragte is ongehanteer gelaat. Om nog twee balansasse by te voeg sou heeltemal onprakties gewees het op so ‘n klein, bekostigbare motor. Baie tweesilinder-enjins — soos die oorspronklike 1957 Fiat 500 en die Indiese Tata Nano — het eenvoudig sonder enige balansasse geloop, en op buigsame enjinsteunpunte staatgemaak om die trilling te absorbeer. Goedkoop, eenvoudig, en aanvaarbaar vir begrotingstoepassings.

Tweesilinder-enjins met krukas by 180° (suiers wat in antifase beweeg) bied beter primêre balans, maar kan slegs gelyke aanstekingsintervalle in tweetakt-vorm behaal — soos gebruik in die vooroorlogse DKW’s en hul nageslag, die Oos-Duitse Trabant.

V-tweeling-enjins oorleef vandag bykans uitsluitlik op motorfietse — Harley-Davidson en sy Japannese nabootsers is die voor die hand liggende voorbeelde. Die NAMI-1 staan as die bykans enigste motor wat ooit hierdie uitleg gebruik het. Teengewigte op die krukas kan dit naby volledige balans bring, maar gelyke aanstekingsintervalle bly onbereikbaar.

Driesilinder-enjins is swakker gebalanseer as ‘n reguit-vier. Vervaardigers soos Subaru en Daihatsu pas standaard balansasse in; Opel se besluit om een weg te laat in die Ecotec-driesilinder vir die tweede-generasie Corsa het koste bespaar, maar het die motor ‘n ruwe reputasie by die Duitse motorkritici besorg na sy debuut in 1996 — dit is beskryf as “absoluut onmoontlik om in die stad in wisselende modes te ry.”

Reguit-vier enjins — die mees algemene uitleg in die wêreld — het ‘n vrye tweede-orde traagheidskrag wat slegs deur ‘n balansas wat teen dubbel krukasspoed loop, geneutraliseer kan word. Om die gevolglike koppel te kanselleer, is ‘n tweede teen-roterende as nodig. Duur, ja — maar Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat en Volkswagen Groep-handelsmerke het almal hierdie opstelling gebruik wanneer verfyning dit vereis het.

Plat-vier enjins doen dit effens beter as hul inlynse eweknieë — slegs ‘n tweede-orde draaigokoppel bly oor, wat die enjin om sy vertikale as laat swenk. Selfs so het beide die lugverkoelde Kewer-enjin en Subaru se boksereenhede dekades lank sonder balansasse klaar gekom.

Reguit-vyf enjins het gekompenseerde primêre traagheidskragte, maar ly onder ‘n rollende buigingskoppel wat voortdurend deur die blok reis — wat ‘n uitsonderlik rigiede struktuur vereis. Mercedes-Benz, Audi en Volvo het dit aangespreek deur verfynde enjinsteunpunte en teengewigte (soos die supergelaaide 2,5 TFSI in die Audi TT RS), terwyl Fiat se ingenieurs verder gegaan het en ‘n volledige balansas gebruik het.

Een interessante voetnota: bykans alle vyfsilinder-enjins is in wese viersilinder-enjins met een ekstra silinder aangeheg. Hierdie modulêre benadering laat gedeelde suiers, dryfstange en klepstelkomponente toe — slegs die blok, kop en krukas (met gooie by 72°-intervalle) hoef te verander.

V6-enjins wat reguit-sesse vervang het, deel dieselfde balanskenmerke as ‘n driesilinder — wat wil sê, nie ideaal nie. Die heel eerste Mercedes-Benz V6 (die M112, met drie klepe per silinder) het dit aangespreek met ‘n balansas wat in die vallei tussen die bankke gemonteer is. Die PSA Groep se drie-liter-sessilinder het een in ‘n silinderkop geplaas. Ander vervaardigers het verkies vir noukeurige krukas-pen-offset — soos gesien op die Audi V6 — om trillings te minimeer sonder die ekstra kompleksiteit. V6-enjins met ‘n 90°-ingeslote hoek voeg nog ‘n hoofpyn by: inherent ongelyke aanstekingsintervalle wat ‘n gewigte vliegwiel slegs gedeeltelik kan glad stryk.

V8-enjins met ‘n 90°-bankhoek en krukasgooie in twee onderling loodregte vlakke is baie goed gebalanseer. Gelyke aanstekingsintervalle is bereikbaar, en slegs twee oorblywende draaigokoppels bly oor — maklik aangespreek deur teengewigte op die eindjoernale van die krukas. Dit is ‘n groot deel van hoekom Amerikaanse ingenieurs die V8 so entoesiasties omhels het: hulle verdra eenvoudig nie trillings nie.

V4-enjins was skaars en is nou bykans uitgestorwe in motors. Die Europese Ford V4 (gebruik in die Taunus, Capri, en Saab 96) en die Zaporozhets se seldsame V4 het albei ‘n balansas nodig gehad vir eerste-orde draaigokoppels. Kompaktheid en koste was die dryffaktore — balans was sekondêr.

V10-enjins deel dieselfde balanskenmerke as ‘n reguit-vyf. Dit het nie die ontwerpers van Formule 1-enjins, die Dodge Viper of die Dodge RAM gestuit om dit te gebruik nie — wanneer jy die krag nodig het, bestuur jy die trillings.

Wat die meer eksotiese uitleggers betref: die plat-agt (soos gebruik in Porsche 917-wedrenmotors) is effektief twee plat-viere op ‘n gemeenskaplike krukas, terwyl V12- en plat-12-enjins na twee reguit-sesse herlei word — wat hul uitsonderlike gladheid verklaar.

VR6, VR5, en W-Enjins: Volkswagen se Inpakkingmeesterstuk

Ons het vroeër die nouhoek-V-enjins soos die Lancia Fulvia aangeraak. Dekades lank is dit vermy — moeiliker om te balanseer as 60°- of 90°-uitleggers, met inpakkingswinste wat die moeite nie werd gelyk het nie. Toe het die prioriteite verskuif.

Twee ontwikkelinge het die spel verander:

• Hidrouliese enjinsteunpunte het wyd beskikbaar geword, wat trillingsoordraging dramaties onderdruk het, ongeag die teoretiese balans van die enjin.
• Ruimte onder die enjinkas het al hoe skaarser geword, wat kompaktheid ‘n premiumeienskap gemaak het. Wie sou ooit ‘n beskeie luikrug vermoed het om ‘n 2,8-liter-sessilinder-enjin te verberg? Volkswagen het dit moontlik gemaak.

Die Volkswagen VR6 — die “VR” staan vir V-Reihen (V-inlyn) — neem die nouhoek-konsep verder as Lancia ooit gedoen het, deur slegs ‘n 15°-hoek tussen bankke te gebruik. Die resultaat is so kompak dat dit effektief funksioneer as ‘n verskofte inlynse enjin, en merkwaardig genoeg gebruik dit ‘n enkele silinderkop vir albei bankke. ‘n 2,8-liter-sessilinder-enjin wat inpas waar ‘n konvensionele V6 nie sou nie — het gedebuteer in die derde-generasie Volkswagen Golf.

Daarna het Volkswagen se ingenieurs die konsep verder uitgewerk:

• Die VR5 het gekom as die VR6 met een silinder verwyder.
• Die W8 het twee verkorte VR-eenhede (vier silinders elk) op ‘n enkele krukas gekombineer — ingepas in die vlagskip Passat-sedan.
• Die W12 het in 1998 gedebuteer in die W12 Roadster-konsep: twee VR6-enjins by ‘n 72°-hoek op een krukas gekoppel.
• Die W16 — met vier turbolaaiers — dryf die Bugatti Veyron aan tot 431 km/h, wat dit die mees ekstreme produksietoepassing van hierdie argitektuur maak.

Hoekom het hierdie uitleggers nie vroeër bestaan nie? Moderne rekenaargesteunde ontwerp het dit moontlik gemaak. Om die ingeslote hoek, krukas-penposisies, aanstekingsvolgorde en balanskenmerke oor sulke komplekse geometrieë te optimeer, sou prakties onmoontlik gewees het sonder die berekeningstog wat beskikbaar geword het vanaf die 1990’s. Die krukas van ‘n W12 alleen is ‘n masjinis se nagmerrie — die soort onderdeel wat slegs sin maak wanneer ‘n rekenaar elke toleransie geverifieer het.

Wat Werklik Saak Maak in Werklike Enjinontwerp

As daar een les uit dit alles is, is dit dat teoretiese balans selde die beslissende faktor is wanneer ‘n ingenieur ‘n enjinuitleg kies. Die werklike prioriteite is:

• Inpakking — pas dit in die enjinkamper?
• Gewig en kragdigtheid — wat is die beste verhouding vir die toepassing?
• Produksiekoste — kan dit komponente oor ‘n modelreeks deel?
• Modulariteit — toenemend bou vervaardigers hele enjinfamilies uit ‘n gemeenskaplike suier- en boring-argitektuur, van driesilinder-ekonomiese eenhede heelpad tot twaalfsilinder-vlagskippe

Mercedes-Benz se huidige enjinreeks is ‘n leerboekvoorbeeld van die modulêre benadering: ‘n gedeelde argitektuur onderlê enjins oor uiteenlopende kraglewerings en silindertelling.

En wat trillings betref — dit is die moeite werd om te onthou dat teoretiese en werklike balans twee heel verskillende dinge is. Selfs ‘n perfek gebalanseerde reguit-ses sal skud as sy krukas-samestelling nie behoorlik gebalanseer is nie, of as sy suiers en dryfstange merkbaar in gewig verskil. Werklike produksietoleransies en komponentvervorming onder las beteken dat geen enjin ooit so glad in die praktyk is as wat die vergelykings voorstel nie. Dis hoekom enjinsteunpuntontwerp — die wyse waarop die kragbron van die res van die motor geïsoleer word — ewe belangrik is as die uitleg self. Soms selfs meer so.

Dit is ‘n vertaling. U kan die oorspronklike hier lees: https://www.drive.ru/technic/4efb337800f11713001e54e1.html