Konfigurace motorů: řadové, V-motory a ploché motory

Na úsvitu 20. století, kdy automobilové inženýrství postupovalo plnou parou, mohl desetilitrový motor být buď jednovalcovou jednotkou, nebo třeba řadovou osmičkou. Tehdy nikoho nepřekvapoval třiadvacetilitrový řadový šestiválec ani sedmiválcový hvězdicový letecký motor přesazený do automobilu.

Jak se rozšiřovala sériová výroba a narůstal tlak na snižování nákladů, vše si našlo své místo. Jednovalcový motor se stal reliktem minulosti. Dnes se průměrný zdvihový objem válce v běžném automobilovém motoru pohybuje mezi 300 a 600 krychlových centimetry, přičemž měrný výkon se pohybuje od přibližně 35 k/l u atmosférického dieselu až po 100 k/l u výkonného benzinového motoru. To jsou nejoptimálnější hodnoty pro hromadnou výrobu – vybočit z nich se prostě nevyplácí.

Jak tedy vypadá moderní svět motorů? Obecně řečeno:

• Motor o výkonu 100 k má obvykle čtyři válce
• Motor o výkonu 200 k zpravidla pohání čtyři, pět nebo šest válců
• Motor o výkonu 300 k běžně používá osm válců

Jak ale mohou být tyto válce vlastně uspořádány? Jaké možnosti rozmístění mají konstruktéři při navrhování víceválcového motoru? Pojďme si to rozebrat.

Řadové motory: jednoduché, ale stále méně praktické

Hlavní otázkou každého konstruktéra motoru je, jak zjednodušit konstrukci – udržet nízké výrobní náklady a snadnou údržbu. V tomto ohledu řadový motor vítězí na celé čáře. Válce jsou uspořádány v jediné řadě a zvyšování objemu je stejně jednoduché jako přidávání dalších válců.

Zde je přehled variant řadových motorů v praxi:

• Dvou- a tříválcové motory jsou v automobilech poměrně vzácné, ačkoliv dvouválcový formát zažívá comeback díky pokročilému vstřikování paliva a turbodmychadlům – příkladem je přeplňovaný dvouválec o výkonu 85 k ve Fiatu 500.
• Řadový čtyřválec je tahounem světa osobních automobilů a pokrývá zdvihové objemy od 1,0 do 2,4 litru.
• Řadové pětiválce jsou novějším vývojem. Mercedes-Benz byl průkopníkem naftového pětiválce v roce 1974 (model 300D na platformě W123), o dva roky později následoval dvoulitrový benzinový pětiválec Audi, poté se v druhé polovině 80. let přidaly Volvo a Fiat.
• Řadové šestiválce, dlouhodobě oblíbené v Evropě pro svůj chod, jsou stále vzácnější. Jejich ještě delší sourozenec, řadová osmička, byl prakticky opuštěn již ve 30. letech.

Důvod tohoto trendu je prostý: čím více válců přidáte, tím delší motor je – a to způsobuje vážné problémy se zástavbou. Umístění řadového šestiválce příčně do motorového prostoru vozidla s předním pohonem se podařilo jen v hrstce případů: Austin Maxi 2200 (který vyžadoval uložení převodovky pod motorem) a Volvo S80 s jeho ultrakompaktní převodovkou.

V-motory a ploché motory: kompaktní, ale složité

Jak tedy zkrátit řadový motor? Elegantní řešení: rozdělit ho na dvě poloviny, umístit je vedle sebe a oběma pohánět jednu klikovou hřídel. To je podstata V-motoru.

Nejběžnější konfigurace V-motorů používají svírný úhel 60° nebo 90° mezi řadami válců. Rozevřete tento úhel až na 180° – válce směřují přímo od sebe – a vznikne plochý motor, známý také jako boxer (odtud označení B2, B4, B6).

Kompromisy oproti řadovému motoru jsou značné:

• Dvě hlavy válců – každá s vlastním těsněním a potrubím
• Více vačkových hřídelí a složitější uspořádání rozvodu ventilů
• Větší šířka (zejména u plochých motorů), která omezuje možnosti zástavby
• Vyšší výrobní náklady a složitější servis

Kvůli těmto nevýhodám používají ploché motory jen někteří výrobci – dnes jsou nejznámějšími Porsche a Subaru.

Co takhle udělat V-motor ještě kompaktnějším zúžením svírného úhlu pod 60°? Bylo to provedeno – Lancia Fulvia ze 70. let používala V4 s pouhým úhlem 23°. Je tu však háček: čím užší úhel, tím obtížnější je vyvážení motoru. A to nás přivádí k jedné z nejkritičtějších výzev v konstruování motorů.

Vibrace motoru: síly, momenty a jak je zvládnout

Žádný pístový spalovací motor není zcela bez vibrací – je to inherentní vlastnost jeho konstrukce. Zvládání vibrací je však kriticky důležité, a to nejen pro komfort cestujících. Závažné nevyvážené vibrace mohou fyzicky zničit součásti motoru, s veškerými katastrofálními následky, které přináší uvolnění dílu při vysoké rychlosti.

Kde vibrace motoru vznikají? Existují tři hlavní zdroje:

• Nerovnoměrné intervaly zapalování – u některých konfigurací motorů pracovní zdvihy neprobíhají v dokonale stejných intervalech, což způsobuje kolísání točivého momentu. Těžší setrvačník může pomoci tento jev vyrovnat.
• Setrvačné síly pístů – jak písty zrychlují směrem nahoru a zpomalují v horní úvrati (a naopak v dolní úvrati), generují setrvačné síly podobné těm, které cítíte při brzdění nebo zrychlování automobilu.
• Geometrie ojnice – ojnice se nepohybuje po přímce a pohyb pístu není dokonalou sinusoidou, což zavádí další silové složky při násobcích otáček klikové hřídele.

Tyto setrvačné síly vyšších řádů jsou obecně zanedbatelné – s výjimkou sil druhého řádu, které působí při dvojnásobku frekvence klikové hřídele a musí být vždy zohledněny. Pokud setrvačné síly v sousedních válcích působí v opačných směrech ve fixní vzdálenosti od sebe, vznikají také silové dvojice momentů, což přidává další vrstvu složitosti.

Konstruktéři mají dva hlavní nástroje pro boj s těmito silami:

• Zvolit inherentně vyvážené uspořádání – rozměstit válce a čepy klikové hřídele tak, aby se síly a momenty navzájem přirozeně rušily.
• Přidat vyvažovací hřídele – sekundární hřídele s protizávažími, které se otáčejí v opačném směru než kliková hřídel a generují stejné a opačné síly. Zvyšují náklady a mechanickou složitost, ale dokáží plně eliminovat problematické vibrace.

Ze všech běžných uspořádání motorů jsou pouze dvě teoreticky dokonale vyvážené: řadový šestiválec a plochý šestiválec. Právě proto se BMW a Porsche těchto konfigurací tak houževnatě drží – a proč ostatní váhají je opustit navzdory problémům se zástavbou.

Vyvážení motorů podle konfigurace: praktický průvodce

Podívejme se, jak si každá hlavní konfigurace motoru vede v reálném světě z hlediska vibrací a vyvážení.

Dvouválcové řadové motory (kliky ve stejném směru) se z hlediska vyvážení chovají podobně jako jednovalcový – oba písty stoupají a klesají ve fázi. Ruský Oka používal dvě protiběžné vyvažovací hřídele k potlačení setrvačných sil prvního řádu, síly druhého řádu však zůstaly bez korekce. Přidání dalších dvou vyvažovacích hřídelí by bylo na tak malém a dostupném voze zcela nepraktické. Mnoho dvouválcových motorů – jako původní Fiat 500 z roku 1957 a indický Tata Nano – jelo prostě bez jakýchkoliv vyvažovacích hřídelí a spoléhalo na poddajná uložení motoru k tlumení vibrací. Levné, jednoduché a přijatelné pro rozpočtové aplikace.

Dvouválcové motory s klikami pod úhlem 180° (písty pohybující se v protifázi) nabízejí lepší primární vyvážení, ale rovnoměrných intervalů zapalování lze dosáhnout pouze ve dvoutaktní podobě – jak tomu bylo u předválečných vozů DKW a jejich potomků, východoněmeckého Trabantu.

V-dvouválce přežívají dnes téměř výhradně na motocyklech – Harley-Davidson a jeho japonské napodobeniny jsou zřejmými příklady. NAMI-1 je prakticky jediným automobilem, který kdy toto uspořádání použil. Protizávažími na klikové hřídeli lze dosáhnout téměř úplného vyvážení, rovnoměrné intervaly zapalování však zůstávají nedosažitelné.

Tříválcové motory jsou hůře vyvážené než řadový čtyřválec. Výrobci jako Subaru a Daihatsu montují vyvažovací hřídele jako standard; rozhodnutí Opelu vynechat ji v tříválci Ecotec pro Corsu druhé generace sice ušetřilo náklady, ale po debutu v roce 1996 si vůz vysloužil nepříznivou pověst v německém automobilovém tisku – byl popisován jako „absolutně neovladatelný ve městě při proměnlivých režimech jízdy”.

Řadové čtyřválce – nejrozšířenější uspořádání na světě – mají volnou setrvačnou sílu druhého řádu, kterou lze neutralizovat pouze vyvažovací hřídelí otáčející se dvojnásobnou rychlostí klikové hřídele. K eliminaci výsledného momentu je zapotřebí druhá protiběžná hřídel. Nákladné, ano – Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat a značky skupiny Volkswagen Group však toto řešení všechny použily, když to vyžadovala kultivovanost jízdy.

Ploché čtyřválce jsou na tom o něco lépe než jejich řadové protějšky – zůstává pouze silová dvojice druhého řádu, která má tendenci natáčet motor kolem jeho svislé osy. I tak si vzduchem chlazený motor Brouka i boxerové motory Subaru poradily bez vyvažovacích hřídelí po celá desetiletí.

Řadové pětiválce mají kompenzované primární setrvačné síly, trpí však klopným ohybovým momentem, který neustále prochází blokem – vyžaduje mimořádně tuhý blok. Mercedes-Benz, Audi a Volvo to řešily prostřednictvím propracovaných uložení motoru a protizávaží (například přeplňovaný motor 2.5 TFSI v Audi TT RS), zatímco konstruktéři Fiatu zašli dále a použili plnohodnotnou vyvažovací hřídel.

Zajímavá poznámka: téměř všechny pětiválcové motory jsou v podstatě čtyřválce s jedním přidaným válcem. Tento modulární přístup umožňuje sdílet písty, ojnice a rozvod ventilů – změnit je třeba pouze blok, hlavu a klikovou hřídel (s čepy pod úhlem 72°).

Motory V6, které nahradily řadové šestiválce, sdílejí stejné charakteristiky vyvážení jako tříválec – tedy ne ideální. Úplně první motor Mercedes-Benz V6 (M112, se třemi ventily na válec) tento problém řešil vyvažovací hřídelí umístěnou v údolí mezi řadami válců. Třílitrovýšestiválec skupiny PSA ji umístil do hlavy válců. Jiní výrobci zvolili pečlivé rozložení čepů klikové hřídele – jak je vidět u Audi V6 – aby minimalizovaly vibrace bez přidané složitosti. Motory V6 se svírným úhlem 90° přinášejí další problém: inherentně nerovnoměrné intervaly zapalování, které lze hmotností setrvačníku pouze částečně vyrovnat.

Motory V8 s úhlem rozevření 90° a čepy klikové hřídele ve dvou navzájem kolmých rovinách jsou velmi dobře vyvážené. Rovnoměrné intervaly zapalování jsou dosažitelné a zbývají pouze dvě reziduální silové dvojice – snadno řešitelné protizávažími na krajních čepech klikové hřídele. To je z velké části důvod, proč američtí konstruktéři přijali V8 s takovým nadšením: prostě vibrace netolerují.

Motory V4 byly vzácné a v automobilech jsou dnes téměř vyhynulé. Evropský Ford V4 (používaný v modelech Taunus, Capri a Saab 96) i svérázný V4 Zaporožce vyžadovaly vyvažovací hřídel pro silové dvojice prvního řádu. Kompaktnost a náklady byly rozhodujícími faktory – vyvážení bylo až na druhém místě.

Motory V10 sdílejí stejné charakteristiky vyvážení jako řadový pětiválec. To neodradilo konstruktéry motorů Formule 1, Dodge Viper ani Dodge RAM od jejich použití – když potřebujete výkon, vibrace se nějak zvládnou.

Co se týče exotičtějších uspořádání: plochá osmička (použitá v závodních vozech Porsche 917) je v podstatě dvěma plochými čtyřválci na společné klikové hřídeli, zatímco motory V12 a ploché dvanáctiválce se redukují na dva řadové šestiválce – což vysvětluje jejich výjimečný chod.

VR6, VR5 a W-motory: mistrovský kousek Volkswagenu v zástavbě

O úzkoúhlých V-motorech jako Lancia Fulvia jsme se zmínili dříve. Po celá desetiletí se jim vyhýbalo – hůře vyvážené než uspořádání 60° nebo 90°, s úsporami v zástavbě, které se nezdály stát za tu námahu. Pak se však priority změnily.

Dvě změny obrátily situaci:

• Hydraulická uložení motoru se stala široce dostupnými a výrazně potlačila přenos vibrací bez ohledu na teoretické vyvážení motoru.
• Prostor pod kapotou se stal stále nedostatkovějším, takže kompaktnost se stala prémiovým atributem. Kdo by si představil, že skromný hatchback skrývá 2,8litrový šestiválcový motor? Volkswagen to dokázal.

Volkswagen VR6 – zkratka „VR” označuje V-Reihen (V-řadový) – posouvá úzkoúhlý koncept dále, než kdy Lancia zašla, a používá pouhý úhel 15° mezi řadami válců. Výsledek je natolik kompaktní, že funkčně odpovídá posunutému řadovému motoru, a pozoruhodně používá jedinou hlavu válců pro obě řady. 2,8litrový šestiválcový motor, který se vejde tam, kde by konvenční V6 nevešel – poprvé představen v Golfu Volkswagen třetí generace.

Od té chvíle konstruktéři Volkswagenu s konceptem dále pracovali:

• VR5 vznikl jako VR6 s jedním odebraným válcem.
• W8 spojil dvě zkrácené jednotky VR (čtyři válce každá) na jedné klikové hřídeli – byl montován do vlajkového sedanu Passat.
• W12 debutoval v roce 1998 na konceptu W12 Roadster: dva motory VR6 spojené pod úhlem 72° na jedné klikové hřídeli.
• W16 – se čtyřmi turbodmychadly – pohání Bugatti Veyron na rychlost 431 km/h, což z něj činí nejextrémnější sériové využití této architektury.

Proč tato uspořádání dříve neexistovala? Umožnil je moderní počítačem podporovaný návrh. Optimalizace svírného úhlu, poloh čepů klikové hřídele, pořadí zapalování a charakteristik vyvážení v tak složitých geometriích by bylo prakticky nemožné bez výpočetního výkonu dostupného od 90. let. Samotná kliková hřídel W12 je noční můrou pro obrábění – součást, která dává smysl jen tehdy, když ji počítač ověřil na každou toleranci.

Co skutečně rozhoduje v reálném konstruování motorů

Pokud si z toho všeho máme odnést jedno poučení, je to to, že teoretické vyvážení je při výběru uspořádání motoru zřídkakdy rozhodujícím faktorem. Skutečné priority jsou:

• Zástavba – vejde se do motorového prostoru?
• Hmotnost a hustota výkonu – jaký je nejlepší poměr pro danou aplikaci?
• Výrobní náklady – lze sdílet komponenty napříč modelovou řadou?
• Modularita – výrobci stále častěji staví celé rodiny motorů na společné architektuře pístu a vrtání, od tříválcových hospodárných jednotek až po dvanáctiválcové vlajkové modely

Současná řada motorů Mercedes-Benz je učebnicovým příkladem modulárního přístupu: společná architektura je základem motorů s velmi odlišnými výkony a počty válců.

A pokud jde o vibrace – stojí za připomenutí, že teoretické a skutečné vyvážení jsou dvě velmi odlišné věci. I dokonale vyvážený řadový šestiválec se bude třást, pokud sestava jeho klikové hřídele není správně vyvážena nebo pokud se hmotnosti pístů a ojnic od sebe výrazně liší. Reálné výrobní tolerance a deformace součástí pod zatížením znamenají, že žádný motor není nikdy v praxi tak hladký, jak naznačují rovnice. Proto je konstrukce uložení motoru – způsob, jakým je pohonná jednotka izolována od zbytku automobilu – stejně důležitá jako samotné uspořádání. Někdy dokonce důležitější.

Toto je překlad. Originál si můžete přečíst zde: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html