Motorkonfigurationer forklaret: Lige, V-formede og flade motorer

I begyndelsen af det 20. århundrede, da bilingeniørkunsten udviklede sig i fuld fart, kunne en 10-liters motor enten være en enkeltstemplet enhed eller f.eks. en lige ottecylinder. Dengang løftede ingen et øjenbryn over en 23-liters sekscylindret rækkemotor eller en syvstemplet stjerneflymotorblok transplanteret ind i en bil.

Da masseproduktionen tog fart og omkostningspresset intensiveredes, faldt alting på plads. Enkeltstempelmotoren blev et levn fra fortiden. I dag ligger den gennemsnitlige cylindervolumen i en konventionel bilmotor på mellem 300 og 600 kubikcentimeter, med et specifikt effektoutput på ca. 35 hk/l i en naturligt aspireret dieselmotor til 100 hk/l i en højtydende benzinmotor. Det er de optimale zoner for masseproduktion — at bevæge sig uden for dem er simpelthen ikke rentabelt.

Hvad ser det moderne motorlandskab ud til at byde på? Overordnet set:

• En 100 hk-motor har typisk fire cylindre
• En 200 hk-motor kører normalt på fire, fem eller seks cylindre
• En 300 hk-motor bruger typisk otte cylindre

Men hvordan kan disse cylindre egentlig arrangeres? Hvilke layoutmuligheder har ingeniørerne, når de designer en flercylindret motor? Lad os gennemgå det.

Rækkemotorer: Enkle, men stadig mere upraktiske

Det vigtigste spørgsmål for enhver motordesigner er, hvordan man forenkler konstruktionen — holder produktionsomkostningerne lave og vedligeholdelsen enkel. På det punkt vinder rækkemotoren (den lige motor) med stor margin. Cylindrene er arrangeret i en enkelt række, og det er lige så nemt at øge kapaciteten som at tilføje flere af dem.

Sådan fordeler de forskellige rækkemotorvarianter sig i praksis:

• To- og trecylindrede motorer er relativt sjældne i biler, selvom tocylinder-formatet er ved at gøre comeback takket være avanceret brændstofindsprøjtning og turboladning — de 85 hk turboopladte tocylindrede motor i Fiat 500 er et godt eksempel.
• Den lige firecylinder er arbejdshesten i personbilsverdenen og dækker slagvolumener fra 1,0 til 2,4 liter.
• Lige femcylindrede motorer er en nyere udvikling. Mercedes-Benz var pioner med den dieseldrevne femcylinder i 1974 (300D på W123-platformen), efterfulgt af Audis tocylindrede benzin-femcylinder to år senere, og derefter Volvo og Fiat i slutningen af 1980’erne.
• Lige sekscylindrede motorer, længe en europæisk favorit for deres kørselsglathed, er blevet stadig sjældnere. Deres endnu længere søskende, den lige ottecylinder, blev reelt opgivet allerede i 1930’erne.

Årsagen til denne tendens er enkel: jo flere cylindre man tilføjer, jo længere bliver motoren — og det skaber alvorlige pladsproblemer. At montere en lige sekscylinder på tværs i et forhjulstrukket motorrum er f.eks. kun lykkedes i en håndfuld tilfælde: Austin Maxi 2200 (som krævede, at gearkassen blev placeret under motoren) og Volvo S80 med sin ultrakompakte gearkasse.

V-formede og flade motorer: Kompakte, men komplekse

Hvordan forkorter man så en rækkemotor? Den elegante løsning: del den i to halvdele, placer de to halvdele side om side, og driv en enkelt krumtapaksel med begge. Det er essensen af V-motoren.

De mest almindelige V-motorkonfigurationer bruger en indbyrdes vinkel på 60° eller 90° mellem cylinderbankerne. Skubber man denne vinkel helt op til 180° — cylindre der peger direkte væk fra hinanden — får man en flad motor, også kendt som en boksermotor (deraf betegnelserne B2, B4, B6).

Afvejningerne i forhold til en rækkemotor er betydelige:

• To cylinderhoveder — hvert med sin egen pakning og grenrør
• Flere knastaksler og et mere komplekst ventildrev
• Større bredde (især for flade motorer), som begrænser, hvor de kan installeres
• Højere produktionsomkostninger og mere kompleks servicering

På grund af disse ulemper bruges flade motorer kun af et lille antal producenter — Porsche og Subaru er de mest bemærkelsesværdige i dag.

Hvad med at gøre en V-motor endnu mere kompakt ved at reducere den indbyrdes vinkel til under 60°? Det er blevet gjort — Lancia Fulvia fra 1970’erne kørte med en V4-motor med blot 23° vinkel. Men der er en hage: jo snævrere vinklen er, jo sværere er motoren at balancere. Det bringer os til en af de mest kritiske udfordringer inden for motordesign.

Motorvibrationer: Kræfter, momenter og hvordan man tæmmer dem

Ingen stempelforbrændingsmotor er helt fri for vibrationer — det er iboende i konstruktionen. Men håndtering af vibrationer er afgørende, ikke blot for passagerkomforten. Kraftige ubalancerede vibrationer kan fysisk ødelægge motorkomponenter med alle de katastrofale konsekvenser, der følger med dele, der flyver løs ved høj hastighed.

Hvor stammer motorvibrationer fra? Der er tre hovedkilder:

• Ujævne tændingsintervaller — i nogle motorkonfigurationer tænder arbejdsslagene ikke ved perfekt lige intervaller, hvilket skaber drejemomentsvingninger. Et tungere svinghjul kan hjælpe med at udjævne dette.
• Stempelinertikræfter — når stemplerne accelererer opad og decelererer ved toppen af deres slag (og omvendt i bunden), genererer de inertialkræfter svarende til, hvad man mærker, når en bil bremser eller accelererer.
• Pleuelstangsgeometri — pleuelstangen bevæger sig ikke i en ret linje, og stempelets bevægelse er ikke en perfekt sinuskurve, hvilket introducerer yderligere kraftkomponenter ved multipla af krumtapakselhastigheden.

Disse højere ordens inertialkræfter er generelt ubetydelige — undtagen for andenordens kræfter, som virker ved dobbelt krumtapakselfrekvens og altid skal tages i betragtning. Når inertialkræfter i tilstødende cylindre virker i modsatte retninger med en fast afstand fra hinanden, genererer de også drejepar, hvilket tilføjer endnu et lag kompleksitet.

Ingeniørerne har to primære redskaber til at bekæmpe disse kræfter:

• Vælg en iboende balanceret konfiguration — arranger cylindre og krumtapakseltap, så kræfter og momenter naturligt udligner hinanden.
• Tilføj balanceaksler — sekundære aksler med modvægte, der roterer i modsat retning af krumtapakslen og genererer lige og modsatte kræfter. Disse tilføjer omkostninger og mekanisk kompleksitet, men kan fuldt ud neutralisere problematiske vibrationsmodes.

Af alle almindelige motorlayouts er kun to teoretisk set perfekt balancerede: den lige sekscylinder og den flade sekscylinder. Det er præcis derfor, BMW og Porsche har holdt så fast ved disse konfigurationer — og hvorfor andre har været tilbageholdende med at opgive dem på trods af pladsproblemer.

Motorbalance efter konfiguration: En praktisk guide

Lad os se på, hvordan hver større motorkonfiguration klarer sig i den virkelige verden med hensyn til vibrationer og balance.

Tocylindrede rækkemotorer (krumtappe i samme retning) opfører sig balancemæssigt set på samme måde som en enkeltstemplet motor — begge stempler stiger og falder i fase. Den russiske Oka brugte to modroterende balanceaksler til at håndtere førsteordens inertialkræfter, men andenordens kræfter blev ladt ukontrollerede. At tilføje to yderligere balanceaksler ville have været fuldstændig upraktisk på en så lille og billig bil. Mange tocylindrede motorer — som den originale Fiat 500 fra 1957 og den indiske Tata Nano — kørte simpelthen uden balanceaksler og stolede på eftergivelige motorophæng til at absorbere vibrationerne. Billigt, enkelt og acceptabelt til budgetapplikationer.

Tocylindrede motorer med krumtappe ved 180° (stempler der bevæger sig i modfase) tilbyder bedre primærbalance, men kan kun opnå jævne tændingsintervaller i totaktsform — som brugt på mellemkrigstidens DKW’er og deres efterfølgere, den østtyske Trabant.

V-twin-motorer overlever i dag næsten udelukkende i motorcykler — Harley-Davidson og dens japanske efterlignere er de oplagte eksempler. NAMI-1 er næsten den eneste bil nogensinde, der har brugt dette layout. Modvægte på krumtapakslen kan bringe den tæt på fuld balance, men jævne tændingsintervaller er stadig ikke opnåelige.

Trecylindrede motorer er dårligere balancerede end en lige firecylinder. Producenter som Subaru og Daihatsu monterer balanceaksler som standard; Opels beslutning om at udelade en i Ecotec-trecylinderen til den anden generation Corsa sparede omkostninger, men gav bilen et hårdt ry i den tyske automobilpresse efter dens debut i 1996 — den blev beskrevet som “absolut umulig at køre rundt i byen i varierende kørselsformer.”

Lige firecylindrede motorer — det mest udbredte layout i verden — har en fri andenordens inertialkraft, der kun kan neutraliseres af en balanceaksel, der kører ved dobbelt krumtapakselhastighed. For at annullere det resulterende moment er der brug for en anden modroterende aksel. Dyrt, ja — men Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat og Volkswagen Group-mærker har alle brugt denne opsætning, når komforten krævede det.

Flade firecylindrede motorer klarer sig lidt bedre end deres lige modparter — kun et andenordens drejepar forbliver, som har tendens til at gire motoren rundt om dens lodrette akse. Alligevel har både den luftkølede Beetle-motor og Subarus boksermotorer klaret sig uden balanceaksler i årtier.

Lige femcylindrede motorer har kompenserede primære inertialkræfter, men lider under et rullende bøjningsmoment, der konstant bevæger sig gennem blokken — og kræver en usædvanlig stiv struktur. Mercedes-Benz, Audi og Volvo tacklet dette med raffinerede motorophæng og modvægte (som den kompressor-ladede 2.5 TFSI i Audi TT RS), mens Fiats ingeniører gik videre og brugte en fuld balanceaksel.

En interessant fodnote: næsten alle femcylindrede motorer er i bund og grund firecylindrede motorer med en ekstra cylinder boltet på. Denne modulære tilgang giver mulighed for delte stempler, pleuelstænger og ventildrevkomponenter — kun blokken, toppen og krumtapakslen (med tap ved 72°-intervaller) behøver at ændre sig.

V6-motorer, der erstattede lige sekscylindre, deler de samme balanceegenskaber som en trecylinder — det vil sige ikke ideelle. Den allerførste Mercedes-Benz V6 (M112, med tre ventiler per cylinder) adresserede dette med en balanceaksel monteret i dalen mellem bankerne. PSA Groups tre-liters sekscylinder placerede en i et cylinderhoved. Andre producenter valgte omhyggelig forskydning af krumtaptappene — som set på Audi V6 — for at minimere vibrationer uden den ekstra kompleksitet. V6-motorer med en 90° indbyrdes vinkel tilføjer endnu et problem: iboende ujævne tændingsintervaller, som et vægtet svinghjul kun delvist kan udjævne.

V8-motorer med en 90° bankvinkel og krumtaptap i to indbyrdes vinkelrette planer er meget velafstemte. Jævne tændingsintervaller kan opnås, og kun to residuelle drejepar forbliver — let håndteret med modvægte på krumtapakslens endelejer. Det er en stor del af årsagen til, at amerikanske ingeniører omfavnede V8’eren så entusiastisk: de tolererer simpelthen ikke vibrationer.

V4-motorer var sjældne og er nu næsten uddøde i biler. Den europæiske Ford V4 (brugt i Taunus, Capri og Saab 96) og Zaporozhets’ særprægede V4 krævede begge en balanceaksel for førsteordens drejepar. Kompakthed og omkostninger var de drivende faktorer — balance var sekundær.

V10-motorer deler de samme balanceegenskaber som en lige femcylinder. Det afholdt ikke designerne af Formel 1-motorer, Dodge Viper eller Dodge RAM fra at bruge dem — når man har brug for kraften, håndterer man vibrationerne.

Hvad angår de mere eksotiske layouts: den flade ottecylinder (som brugt i Porsche 917-racerbiler) er reelt to flade firecylindre på en fælles krumtapaksel, mens V12- og flade 12-cylindrede motorer reduceres til to lige sekscylindre — hvilket forklarer deres exceptionelle kørselsglathed.

VR6, VR5 og W-motorer: Volkswagens emballerings-mesterstykke

Vi berørte tidligere smalvinklet V-motorer som Lancia Fulvia. I årtier blev disse undgået — sværere at balancere end 60°- eller 90°-layouts, med pladsmæssige fordele, der ikke syntes at være besværet værd. Så skiftede prioriteterne.

To udviklinger ændrede spillet:

• Hydrauliske motorophæng blev bredt tilgængelige og undertrykkede dramatisk vibrationstransmission uanset motorens teoretiske balance.
• Pladsen under motorhjelmen blev stadig mere begrænset, hvilket gjorde kompakthed til en premium-egenskab. Hvem ville have forestillet sig en beskeden hatchback med en 2,8-liters sekscylindret motor gemt væk? Volkswagen fik det til at ske.

Volkswagen VR6 — hvor “VR” står for V-Reihen (V-række) — tager smalvinklet-konceptet videre end Lancia nogensinde gjorde, med kun en 15° vinkel mellem bankerne. Resultatet er så kompakt, at det reelt fungerer som en forskudt rækkemotor, og bemærkelsesværdigt nok bruger den et enkelt cylinderhoved til begge banker. En 2,8-liters sekscylindret motor, der passer, hvor en konventionel V6 ikke ville — debuteret i den tredje generation Volkswagen Golf.

Derfra løb Volkswagens ingeniører med konceptet:

• VR5 kom som VR6 med én cylinder fjernet.
• W8 kombinerede to forkortede VR-enheder (fire cylindre hver) på en enkelt krumtapaksel — monteret i den topklasse Passat sedan.
• W12 debuterede i 1998 på W12 Roadster-konceptbilen: to VR6-motorer forbundet ved en 72°-vinkel på én krumtapaksel.
• W16 — med fire turboladere — driver Bugatti Veyron til 431 km/t og gør den til den mest ekstreme produktionsapplikation af denne arkitektur.

Hvorfor eksisterede disse layouts ikke tidligere? Moderne computerassisteret design gjorde dem mulige. At optimere den indbyrdes vinkel, krumtaptappositioner, tændingsrækkefølge og balanceegenskaber på tværs af sådanne komplekse geometrier ville have været praktisk taget umuligt uden den regnekraft, der var tilgængelig fra 1990’erne og frem. Krumtapakslen i en W12 alene er en maskinists mareridt — den slags del, der kun giver mening, når en computer har verificeret enhver tolerance.

Hvad der egentlig betyder noget i praktisk motordesign

Hvis der er én lære at drage af alt dette, er det, at teoretisk balance sjældent er den afgørende faktor, når en ingeniør vælger et motorlayout. De reelle prioriteter er:

• Pakkeløsning — passer den ind i motorrummet?
• Vægt og effekttæthed — hvad er det bedste forhold for applikationen?
• Produktionsomkostninger — kan den dele komponenter på tværs af en modelrække?
• Modularitet — i stigende grad bygger producenter hele motorfamilier ud fra en fælles stempel- og boring-arkitektur, fra trecylindrede økonomienheder helt op til tolvstemplede flagskibsmotorer

Mercedes-Benz’ nuværende motorprogram er et lærebogs-eksempel på den modulære tilgang: en fælles arkitektur understøtter motorer på tværs af vidt forskellige effektoutput og cylinderantal.

Og hvad angår vibrationer — det er værd at huske, at teoretisk og faktisk balance er to meget forskellige ting. Selv en perfekt balanceret lige sekscylinder vil ryste, hvis dens krumtapakselssamling ikke er korrekt balanceret, eller hvis dens stempler og pleuelstænger varierer mærkbart i vægt. Virkelige produktionstolerancer og komponentdeformation under belastning betyder, at ingen motor nogensinde er så jævn i praksis, som ligningerne antyder. Det er derfor, motorophængsdesign — den måde, motoren er isoleret fra resten af bilen — er mindst lige så vigtig som selve layoutet. Nogle gange endda vigtigere.

Dette er en oversættelse. Du kan læse originalen her: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html