Konfiguracije motora: redni, V-oblični i ravni motori

Na zoru 20. stoljeća, kada je automobilsko inženjerstvo napredovalo punom parom, motor od 10 litara mogao je biti jednocilindarski agregat ili, recimo, redni osam. U to vrijeme nikome nije padalo na pamet da čudi pri pomisli na redni šest od 23 litre ili sedmocilindarski zvjezdasti avionski motor ugrađen u automobil.

Kako je masovna proizvodnja rasla, a pritisak troškova se intenzivirala, sve je sjelo na svoje mjesto. Jednocilindarski motor postao je relikvija prošlosti. Danas prosječna zapremina cilindra u konvencionalnom automobilskom motoru iznosi između 300 i 600 kubnih centimetara, a specifična snaga kreće se od oko 35 KS/l kod atmosferskog dizel motora do 100 KS/l kod visokoučinkovitog benzinskog motora. To su optimalne vrijednosti za masovnu proizvodnju — izlazak izvan tih granica jednostavno nije isplativ.

Kako onda izgleda savremeni pejzaž motora? Općenito govoreći:

• Motor od 100 KS tipično ima četiri cilindra
• Motor od 200 KS obično radi sa četiri, pet ili šest cilindara
• Motor od 300 KS najčešće koristi osam cilindara

Ali kako ti cilindri zapravo mogu biti raspoređeni? Koje mogućnosti rasporeda imaju inženjeri pri dizajniranju višecilindričnog motora? Razložimo to.

Redni motori: jednostavni, ali sve nepraktičniji

Glavno pitanje svakog konstruktora motora je kako pojednostaviti dizajn — zadržati niske troškove proizvodnje i olakšati održavanje. U tom pogledu, redni (linijski) motor pobjeđuje bez premca. Cilindri su raspoređeni u jednom redu, a povećanje kapaciteta jednostavno je kao dodavanje novih cilindara.

Evo kako se redni motori dijele u praksi:

• Dvocilindarski i trocilindarski motori su relativno rijetki u automobilima, mada dvocilindarski format doživljava povratak zahvaljujući naprednoj direktnoj ubrizgavanju goriva i turbopunjačima — turbonabijenjem dvocilindraš od 85 KS u Fiatu 500 je pravi primjer.
• Redni četverac je radni konj svijeta putničkih automobila, pokrivajući zapremine od 1,0 do 2,4 litre.
• Redni petocilindarski motori su noviji razvoj. Mercedes-Benz je bio pionir dizelskog petocilindra 1974. godine (model 300D na platformi W123), a dvije godine kasnije slijedio je Audijev dvolitarski benzinski petocilindar, a potom su se Volvo i Fiat pridružili krajem 1980-ih.
• Redni šestocilindarski motori, dugo omiljeni u Evropi zbog svoje uglađenosti, postaju sve rjeđi. Njihov još duži brat, redni osam, praktično je napušten još 1930-ih.

Razlog ovog trenda je jasan: što više cilindara dodate, to motor postaje duži — a to stvara ozbiljne probleme s ugradnjom. Ugradnja rednog šesterca poprečno u motorni prostor s prednjim pogonom, na primjer, uspjela je samo u nekoliko slučajeva: Austin Maxi 2200 (koji je zahtijevao postavljanje mjenjača ispod motora) i Volvo S80 s ultra-kompaktnim mjenjačem.

V-oblični i ravni motori: kompaktni, ali složeni

Kako dakle skratiti redni motor? Elegantno rješenje: podijeliti ga na pola, postaviti oba dijela jedan pored drugog i jednom koljenastom osovinom pokretati obje polovice. To je suština V-motora.

Najčešće konfiguracije V-motora koriste kut od 60° ili 90° između redova cilindara. Kada se taj kut poveća do 180° — cilindri su okrenuti direktno jedan od drugog — dobiva se ravni motor, poznat i kao bokserni motor (otuda oznake B2, B4, B6).

Kompromisi u odnosu na redni motor su značajni:

• Dvije glave cilindara — svaka sa svojom brtvom i kolektorima
• Više bregastih osovina i složeniji raspored pogona ventila
• Veća širina (posebno kod ravnih motora), što ograničava mjesta gdje se mogu ugraditi
• Viši troškovi proizvodnje i složenije održavanje

Zbog ovih nedostataka, ravne motore koristi samo mali broj proizvođača — Porsche i Subaru su najistaknutiji danas.

Šta je sa daljnjim smanjenjem kuta V-motora ispod 60° radi kompaktnosti? To je učinjeno — Lancia Fulvia iz 1970-ih koristila je V4 s kutom od svega 23°. No tu postoji kvaka: što je kut uži, to je teže uravnotežiti motor. Što nas dovodi do jednog od najkritičnijih izazova u dizajnu motora.

Vibracije motora: sile, momenti i kako ih obuzdati

Nijedan klipni motor s unutarnjim sagorijevanjem nije potpuno slobodan od vibracija — to je inherentno za ovaj tip konstrukcije. Međutim, upravljanje vibracijama je ključno, ne samo zbog udobnosti putnika. Teške neuravnotežene vibracije mogu fizički uništiti dijelove motora, s katastrofalnim posljedicama koje dolaze s dijelovima koji se odvajaju pri velikim brzinama.

Odakle dolaze vibracije motora? Postoje tri glavna izvora:

• Neravnomjerni intervali paljenja — u nekim konfiguracijama motora, taktovi snage ne pale u savršeno jednakim razmacima, što stvara oscilacije momenta. Teži zamajac može pomoći u izglađivanju ovoga.
• Inercijske sile klipova — dok klipovi ubrzavaju prema gore i usporavaju na vrhu svog hoda (i obrnuto na dnu), generiraju inercijske sile slične onima koje osjećate kada automobil koči ili ubrzava.
• Geometrija klipnjače — klipnjača ne putuje pravom linijom, a kretanje klipa nije savršena sinusoida, što uvodi dodatne komponente sile na višekratnicima brzine koljenaste osovine.

Ove inercijske sile višeg reda generalno su zanemarive — osim sila drugog reda, koje djeluju na dvostrukoj frekvenciji koljenaste osovine i moraju uvijek biti uzete u obzir. Kada inercijske sile u susjednim cilindrima djeluju u suprotnim smjerovima na fiksnoj udaljenosti jedna od druge, one također generiraju momente torzijskih parova, dodajući još jedan sloj složenosti.

Inženjeri imaju dva glavna alata za borbu protiv ovih sila:

• Odabir inherentno uravnotežene konfiguracije — rasporediti cilindre i rukavce koljenaste osovine tako da se sile i momenti međusobno prirodno poništavaju.
• Dodavanje balansnih osovina — sekundarne osovine s protuutezima koje se rotiraju u suprotnom smjeru od koljenaste osovine, generirajući jednake i suprotne sile. To dodaje troškove i mehaničku složenost, ali može potpuno neutralizirati problematične oblike vibracija.

Od svih uobičajenih rasporeda motora, samo su dva teorijski savršeno uravnotežena: redni šest i ravni šest. Upravo zato BMW i Porsche tako uporno čuvaju ove konfiguracije — i zašto su drugi oklijevali napustiti ih unatoč izazovima ugradnje.

Balans motora prema konfiguraciji: praktični vodič

Pogledajmo kako se svaka glavna konfiguracija motora ponaša u stvarnom svijetu kada je u pitanju vibracija i balans.

Dvocilindarski redni motori (klipovi koji se kreću u istom smjeru) ponašaju se slično jednocilindričnim motorima u pogledu balansa — oba klipa se dižu i spuštaju u fazi. Ruski Oka koristio je dvije balansne osovine s proturotacijom za nošenje s inercijskim silama prvog reda, ali sile drugog reda ostale su nekontrolirane. Dodavanje još dvije balansne osovine bilo bi potpuno nepraktično na tako malom i jeftinom automobilu. Mnogi dvocilindarski motori — poput originalnog Fiata 500 iz 1957. i indijskog Tata Nana — jednostavno su radili bez ijedne balansne osovine, oslanjajući se na popustljive nosače motora za apsorpciju vibracija. Jeftino, jednostavno i prihvatljivo za ekonomične primjene.

Dvocilindarski motori s klipovima pod kutom od 180° (klipovi se kreću u protufazi) nude bolji primarni balans, ali mogu postići ravnomjerne intervale paljenja samo u dvotaktnom obliku — kao što se koristilo u predratnim DKW-ima i njihovim nasljednicima, istočnonjemačkom Trabantu.

V-twin motori danas preživljavaju gotovo isključivo na motociklima — Harley-Davidson i njegovi japanski imitatori su očiti primjeri. NAMI-1 se ističe kao praktično jedini automobil koji je ikada koristio ovaj raspored. Protuutezi na koljenastoj osovini mogu ga dovesti blizu punog balansa, ali ravnomjerni intervali paljenja ostaju nedostižni.

Trocilindarski motori su lošije uravnoteženi od rednog četverca. Proizvođači poput Subarua i Daihatsua standardno ugrađuju balansne osovine; Opelov odluka da ih izostavi u Ecotec trocilindraš za drugu generaciju Corse uštedila je troškove, ali automobil je stekao reputaciju grubog vozila u njemačkim automobilskim medijima nakon debija 1996. — opisivan je kao „apsolutno nemoguć za vožnju po gradu u promjenjivim režimima.”

Redni četverocilindarski motori — najrasprostranjeniji raspored na svijetu — imaju slobodnu inercijsku silu drugog reda koja se može neutralizirati samo balansnom osovinom koja radi na dvostrukoj brzini koljenaste osovine. Da bi se poništio rezultirajući moment, potrebna je druga proturotacijska osovina. Skupo, da — ali Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat i brendovi Volkswagen Grupe svi su koristili ovaj sustav kada je to zahtijevala razina udobnosti.

Ravni četverocilindarski motori su nešto bolji od svojih rednih pandana — ostaje samo moment torzijskog para drugog reda, koji teži da zarotira motor oko njegove vertikalne osi. Čak i tako, i motor Bube hlađen zrakom i Subaruvi bokserski motori godinama su funkcionirali bez balansnih osovina.

Redni petocilindarski motori imaju kompenzovane primarne inercijske sile, ali pate od momenta savijanja koji stalno putuje kroz blok motora — što zahtijeva izuzetno krutu strukturu. Mercedes-Benz, Audi i Volvo nosili su se s ovim kroz doradom nosača motora i protuutezima (kao u nadpunjenom 2.5 TFSI u Audi TT RS-u), dok su Fiatovi inženjeri otišli korak dalje i koristili punu balansnu osovinu.

Jedna zanimljiva napomena: gotovo svi petocilindarski motori su u suštini četverocilindarski motori s jednim dodatnim cilindrom. Ovaj modularni pristup omogućava dijeljenje klipova, klipnjača i dijelova ventilskog mehanizma — samo se blok, glava i koljenasta osovina (s rukavčićima na razmacima od 72°) trebaju promijeniti.

V6 motori koji su zamijenili redne šesterce dijele iste karakteristike balansa kao trocilindarski motor — što nije idealno. Privi Mercedes-Benzov V6 (M112, s tri ventila po cilindru) riješio je ovo balansnom osovinom postavljenom u dolini između redova cilindara. PSA Groupova trolitarska šesterka postavila je jednu u glavu cilindra. Drugi proizvođači opredijelili su se za pažljivo pomicanje rukavaca koljenaste osovine — kao što je vidljivo na Audijevom V6 — kako bi minimizirali vibracije bez dodatne složenosti. V6 motori s kutom od 90° dodaju još jednu glavobolju: inherentno neravnomjerne intervale paljenja koje oteretni zamajac može samo djelomično izgladiti.

V8 motori s kutom između redova od 90° i rukavčićima koljenaste osovine u dva međusobno okomita ravna su vrlo dobro uravnoteženi. Ravnomjerni intervali paljenja su dostižni, a ostaju samo dva rezidualna momenta torzijskog para — lako se rješavaju protuutezima na krajnjim ležajima koljenaste osovine. To je veliki dio razloga zašto su američki inženjeri tako oduševljeno prihvatili V8: jednostavno ne toleriraju vibracije.

V4 motori bili su rijetki i danas su gotovo izumrli u automobilima. Evropski Fordov V4 (korišten u Taunusu, Capriju i Saabu 96) i svojevrsni V4 Zaporožca oboje su zahtijevali balansnu osovinu za momente torzijskog para prvog reda. Kompaktnost i cijena bili su pokretačke faktori — balans je bio sekundarno pitanje.

V10 motori dijele iste karakteristike balansa kao redni pet. To nije spriječilo konstruktore Formula 1 motora, Dodge Vipera ili Dodge RAM-a da ih koriste — kada vam je potrebna snaga, upravljate vibracijama.

Što se tiče egzotičnijih rasporeda: ravni osam (kakav se koristio u Porsche 917 trkačkim automobilima) je u suštini dva ravna četverca na zajedničkoj koljenastoj osovini, dok se V12 i ravni 12 motori svode na dva redna šesterka — što objašnjava njihovu izuzetnu uglađenost.

VR6, VR5 i W-motori: Volkswagenov majstorski potez pakiranja

Ranije smo dotakli usko-kutne V-motore poput Lancije Fulvije. Decenijama su se izbjegavali — teže za uravnotežiti od rasporeda s kutom 60° ili 90°, s prednostima pakiranja koje se nisu činile vrijednima truda. Zatim su se prioriteti promijenili.

Dva razvoja promijenila su igru:

• Hidraulični nosači motora postali su široko dostupni, dramatično prigušujući prijenos vibracija bez obzira na teorijski balans motora.
• Prostor ispod haube postajao je sve skučeniji, čineći kompaktnost premium osobinom. Ko bi bio zamislio skromni hečbek koji krije 2,8-litarski šestocilindarski motor? Volkswagen je to ostvario.

Volkswagen VR6 — „VR” stoji za V-Reihen (V-redni) — konceptom uskog kuta ide dalje nego što je Lancia ikada učinila, koristeći svega 15° kuta između redova. Rezultat je toliko kompaktan da u suštini funkcionira kao pomaknut redni motor, a što je još izvanrednije, koristi jednu glavu cilindara za oba reda. Motor od 2,8 litre s šest cilindara koji stane tamo gdje konvencionalni V6 ne bi — debitirao je u trećoj generaciji Volkswagen Golfa.

Odatle su Volkswagenovi inženjeri razvijali koncept dalje:

• VR5 stigao je kao VR6 s uklonjenim jednim cilindrom.
• W8 kombinovao je dvije skraćene VR jedinice (svaka po četiri cilindra) na jednoj koljenastoj osovini — ugrađen u flagship Passat sedan.
• W12 je debitirao 1998. na konceptu W12 Roadster: dva VR6 motora spojena pod kutom od 72° na jednoj koljenastoj osovini.
• W16 — s četiri turbopunjača — pogoni Bugatti Veyron do 431 km/h, čineći ga najekstremnijom serijskom primjenom ove arhitekture.

Zašto ovi rasporedi nisu postojali ranije? Moderni računalno potpomognut dizajn učinio ih je mogućima. Optimizovanje kuta između redova, položaja rukavaca koljenaste osovine, redoslijeda paljenja i karakteristika balansa kroz takve složene geometrije bila bi praktički nemoguća bez računalne snage dostupne od 1990-ih nadalje. Koljenasta osovina W12 sama po sebi je noćna mora za strojara — vrsta dijela koji ima smisla jedino kada je računalo verificiralo svaku toleranciju.

Što zapravo bitno u stvarnom dizajnu motora

Ako postoji jedna pouka iz svega ovoga, to je da teorijski balans rijetko je odlučujući faktor kada inženjer bira raspored motora. Stvarni prioriteti su:

• Pakiranje — stane li u motorni prostor?
• Težina i gustoća snage — koji je najbolji omjer za primjenu?
• Troškovi proizvodnje — može li dijeliti komponente kroz niz modela?
• Modularnost — sve češće, proizvođači grade čitave obitelji motora iz zajedničke arhitekture klipa i promjera, od trocilindričnih ekonomičnih agregata pa sve do dvanaestocilindričnih flagship modela

Trenutna linija motora Mercedes-Benza udžbenički je primjer modularnog pristupa: zajednička arhitektura temelj je motora kroz znatno različite izlazne snage i broje cilindara.

I što se tiče vibracija — vrijedi zapamtiti da su teorijski i stvarni balans dvije vrlo različite stvari. Čak i savršeno uravnoteženi redni šesterac tresti će se ako sklop koljenaste osovine nije pravilno balansiran ili ako se njegovi klipovi i klipnjače primjetno razlikuju po težini. Stvarne proizvodne tolerancije i deformacija komponenti pod opterećenjem znače da nijedan motor u praksi nije nikada toliko gladak kao što jednadžbe sugeriraju. Upravo zato je dizajn nosača motora — način na koji je pogonski sklop izolovan od ostatka automobila — jednako važan kao i sam raspored. Ponekad i važniji.

Ovo je prijevod. Original možete pročitati ovdje: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html