Mootori konfiguratsioon selgitatud: Rida-, V-kujulised ja lamemootorид

20. sajandi alguses, kui autotehnika arenes täiskiirusel, võis kümneliitrine mootor olla nii ühenhengerline seade kui ka näiteks kaheksasilindriline ridamootor. Toona ei pööranud keegi tähelepanu 23-liitrisele kuuesilindrilisele ridamootorile ega seitsmesilindrilisel radiaalsele lennukimootorile, mis oli paigutatud autosse.

Kui masstoodang kasvas ja kulurõhk tugevnes, langes kõik paika. Ühenhengerline mootor muutus mineviku reliiktiks. Tänapäeval jääb tavalise sõiduautomootori keskmine silindri töömaht vahemikku 300–600 kuupsentimeetrit, kusjuures eriväljund ulatub looduslikult aspireeritud diiselmootori ligikaudu 35 hj/l-st kuni sportliku bensiinimootori 100 hj/l-ni. Need on massiturule sobivad optimaalsed vahemikud — nendest välja astumine pole lihtsalt majanduslikult otstarbekas.

Milline näeb siis välja kaasaegne mootoripilt? Üldjoontes:

• 100 hj mootoril on tavaliselt neli silindrit
• 200 hj mootoril on enamasti neli, viis või kuus silindrit
• 300 hj mootoril on tavaliselt kaheksa silindrit

Kuidas saab neid silindrid tegelikult paigutada? Millised paigutusvalikud on inseneridel mitmesilindrilise mootori kujundamisel? Vaatame lähemalt.

Ridamootored: lihtsad, kuid üha ebapraktilisemad

Iga mootoridisaineri peamine küsimus on, kuidas lihtsustada konstruktsiooni — hoida tootmiskulud madalal ja hooldus lihtsana. Selles osas võidab ridamootor (sirge mootor) käed alla. Silindrid on paigutatud ühte ritta ja mahu suurendamine on sama lihtne kui nende lisamine.

Ridamootori variandid praktikas:

• Kahe- ja kolmesilindrilised mootored on autodes suhteliselt haruldased, kuigi kahesilindrilisel formaadil on tänu täiustatud kütuse süstimisele ja turbolaadimisele taastumine käimas — peamine näide on Fiat 500 85 hj turbokahesilinderline mootor.
• Neljasilindriline ridamootor on sõiduautomaailma tööhobune, kattes töömahtusid 1,0 kuni 2,4 liitrit.
• Viiesilindrilised ridamootored on suhteliselt hilisem areng. Mercedes-Benz tegi teedrajavat tööd diislikütusega viiesilindrilise mootoriga 1974. aastal (300D W123 platvormil), millele järgnes Audi kaheliitrine bensiiniline viiesilindriline mootor kaks aastat hiljem, seejärel liitusid Volvo ja Fiat 1980. aastate lõpus.
• Kuuesilindrilised ridamootored, mis on pikka aega olnud Euroopa lemmik nende sujuvuse tõttu, on muutunud üha harvemaks. Nende veelgi pikem õde-vend, kaheksasilindriline ridamootor, jäeti sisuliselt kõrvale juba 1930. aastatel.

Selle suundumuse põhjus on lihtne: mida rohkem silindrid lisate, seda pikemaks mootor muutub — ja see tekitab tõsiseid paigutusprobleeme. Näiteks kuuesilindrilise ridamootori põikpaigaldamine eesveolise auto mootoriruumi on õnnestunud vaid üksikutel juhtudel: Austin Maxi 2200 (mis nõudis käigukasti mootori alla paigutamist) ja Volvo S80 oma ülikompaktse käigukastiga.

V-kujulised ja lamemootored: kompaktsed, kuid keerukad

Kuidas siis ridamootori lühendada? Elegantne lahendus: jagage see pooleks, asetage kaks poolt kõrvuti ja ajage mõlemaga üht väntvõlli. See ongi V-mootori olemus.

Kõige levinumad V-mootori konfiguratsioonid kasutavad silindriplokide vahelist nurka 60° või 90°. Kui lükata see nurk kuni 180°-ni — silindrid suunatud üksteisest otse eemale — saate lamemootori, tuntud ka kui bokser-mootor (siit tulenevad tähistused B2, B4, B6).

Kompromissid võrreldes ridamootori­ga on märkimisväärsed:

• Kaks silindripead — kummalgi oma tihend ja kollektor
• Rohkem nukkvõlle ja keerukam klapi­käitus
• Suurem laius (eriti lamemootoritel), mis piirab nende paigalduskohti
• Kõrgemad tootmiskulud ja keerukam hooldus

Nende puuduste tõttu kasutavad lamemootoreid vaid vähesed tootjad — tänapäeval on kõige märkimisväärsemad Porsche ja Subaru.

Mis siis, kui muuta V-mootor veelgi kompaktsemaks, vähendades kaasatud nurka alla 60°? Seda on tehtud — 1970. aastate Lancia Fulvia kasutas V4 mootorit kõigest 23° nurgaga. Kuid on üks probleem: mida kitsam nurk, seda raskem on mootorit tasakaalustada. See viib meid mootori­disaini ühe oluliseima väljakutse juurde.

Mootori vibratsioon: jõud, pöördmomendid ja nende ohjeldamine

Ükski kolbsisepõlemismootor ei ole täielikult vibratsioonivaba — see on omane konstruktsioonile endale. Kuid vibratsiooni juhtimine on kriitiliselt tähtis mitte ainult reisijate mugavuse seisukohast. Tõsine tasakaalustamata vibratsioon võib füüsiliselt hävitada mootori komponente, millega kaasnevad katastroofilised tagajärjed, kui osad paiskuvad lahti suurel kiirusel.

Kust tuleb mootori vibratsioon? Peamisi allikaid on kolm:

• Ebaühtlased süütamisintervallid — mõnedes mootori­konfiguratsioonides ei toimu tõukelöögid täpselt võrdse intervalliga, tekitades pöördmomendi lainetuse. Raskem hooratas aitab seda siluda.
• Kolvi inertsijõud — kui kolbid kiirendavad ülespoole ja aeglustuvad käigu ülaosas (ja vastupidi allosas), tekitavad need inertsijõud, mis sarnanevad auto pidurdamisel või kiirendamisel tunnetavaga.
• Pleuelvarrase geomeetria — pleuelvarras ei liigu sirgjoones ja kolvi liikumine ei ole täiuslik siinuskõver, mis toob lisaks jõu komponendid väntvõlli kiiruse kordsetel.

Need kõrgema järgu inertsijõud on üldiselt tühised — välja arvatud teise järgu jõud, mis toimivad väntvõlli sagedusest kaks korda kõrgemal ja mida tuleb alati arvestada. Kui inertsijõud külgnevates silindreis toimivad vastassuundes fikseeritud kaugusel üksteisest, tekitavad need ka pöördmomendipaarid, lisades veel ühe keerukuse kihi.

Inseneridel on nende jõudude vastu kaks peamist vahendit:

• Valida loomupäraselt tasakaalustatud konfiguratsioon — paigutada silindrid ja väntvõlli käigud nii, et jõud ja pöördmomendid tühistuvad loomulikult.
• Lisada tasakaaluvõllid — teisesed võllid vastukaaludega, mis pöörlevad väntvõlliga vastassuunas, tekitades võrdseid ja vastassuunalisi jõude. Need lisavad kulusid ja mehaanilist keerukust, kuid suudavad probleemsed vibratsioonirežiimid täielikult neutraliseerida.

Kõigist tavalistest mootoripaigutustest on teoreetiliselt täiuslikult tasakaalustatud ainult kaks: kuuesilindriline ridamootor ja kuuesilindriline lamemootor. Just see on põhjus, miks BMW ja Porsche on nendest konfiguratsioonidest nii visalt kinni hoidnud — ja miks teised on olnud kõhklevad neid hoolimata paigutusprobleemidest hülgama.

Mootori tasakaal konfiguratsiooni järgi: praktiline juhend

Vaatame, kuidas iga peamine mootori­konfiguratsioon reaalmaailmas vibratsiooni ja tasakaalu osas käitub.

Kahesilindrilised ridamootored (käigud samas suunas) käituvad tasakaalu poolest sarnaselt ühenhengerlisel­mootoril — mõlemad kolbid tõusevad ja langevad faasis. Vene Oka kasutas esimese järgu inertsijõudude käsitlemiseks kahte vastaspraeguvat tasakaaluvõlli, kuid teise järgu jõud jäeti kontrollimata. Kahe täiendava tasakaaluvõlli lisamine oleks olnud nii väikese ja taskukohase auto puhul täiesti ebapraktiline. Paljud kahesilindrilised mootored — nagu algne 1957. aasta Fiat 500 ja India Tata Nano — töötasid lihtsalt ilma tasakaaluvõllideta, tuginedes vibratsiooni neelamiseks paindlikele mootorikinnitudele. Odav, lihtne ja eelarveliste rakenduste jaoks vastuvõetav.

Kahesilindrilised mootored 180° käiguga (kolbid antifaasis) pakuvad paremat esmast tasakaalu, kuid ühtlased süütamisintervallid on saavutatavad ainult kahetaktilises vormis — nagu kasutati sõjaeelsetel DKW-del ja nende järeltulijatel, Ida-Saksa Trabantil.

V-kaksik­mootored elavad tänapäeval peaaegu eranditult mootorrataste peal — Harley-Davidson ja selle Jaapani jäljendajad on ilmsed näited. NAMI-1 on sisuliselt ainus auto, mis on kunagi seda paigutust kasutanud. Väntvõlli vastukaalud suudavad tuua selle täieliku tasakaalu lähedale, kuid ühtlased süütamisintervallid jäävad kättesaamatuks.

Kolmesilindrilised mootored on halvemini tasakaalustatud kui neljasilindrilised ridamootored. Tootjad nagu Subaru ja Daihatsu paigaldavad standardina tasakaaluvõlle; Opeli otsus jätta see Ecotec kolbesilindrilises mootoris teise põlvkonna Corsa puhul ära säästis küll kulusid, kuid teenis autole Saksa autopressi seas halva maine pärast selle 1996. aasta debüüti — seda kirjeldati kui „absoluutselt võimatut sõita linnas muutuva koormusega”.

Neljasilindrilised ridamootored — maailma kõige levinum paigutus — omavad vaba teise järgu inertsijõudu, mida saab neutraliseerida ainult kaks korda väntvõlli kiirusel pöörlevа tasakaaluvõlliga. Tuleneva pöördmomendi tühistamiseks on vaja teist vastaspraeguvat võlli. Kallis, jah — kuid Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat ja Volkswagen Groupi margid on kõik seda seadistust kasutanud, kui täiuslikkus seda nõudis.

Lamedate neljasilindriliste mootoritega läheb veidi paremini kui nende ridakorrespondeniga — alles jääb ainult teise järgu pöördmomentide paar, mis kipub mootorit tema vertikaaltelje ümber keerama. Hoolimata sellest on nii õhkjahutatud Beetle’i mootor kui ka Subaru bokser­üksused aastakümneid hakkama saanud ilma tasakaaluvõllideta.

Viiesilindrilised ridamootored omavad kompenseeritud peamisi inertsijõude, kuid kannatavad veerev paindepöördmomendi all, mis reisib pidevalt läbi ploki — nõudes erakordselt jäika konstruktsiooni. Mercedes-Benz, Audi ja Volvo lahendасid selle täiustatud mootorikinniste ja vastukaalude abil (näiteks Audi TT RS turbokompressor 2,5 TFSI), samas kui Fiat läks kaugemale ja kasutas täisväärtuslikku tasakaaluvõlli.

Üks huvitav märkus: peaaegu kõik viiesilindrilised mootored on sisuliselt neljasilindrilised mootored ühe lisasilindriga. See modulaarne lähenemisviis võimaldab jagada kolbe, pleuelvardaid ja klapi­mehhanismi komponente — muutuma peavad ainult plokk, silindripea ja väntvõll (käigud 72° intervallidega).

V6 mootored, mis asendasid kuuesilindrilisi ridamootoreid, jagavad kolmesilindrilisega samu tasakaalu omadusi — see tähendab, et need pole ideaalsed. Esimene Mercedes-Benz V6 (M112, kolme klapiga silindri kohta) lahendas selle tasakaaluvõlliga, mis oli paigaldatud pankide vahelisse orgu. PSA Groupi kolmeliitriline kuusilindriline mootor paigutas selle silindripähe. Teised tootjad eelistasid hoolikat vänttappide nihet — nagu Audi V6 puhul näha — et minimeerida vibratsiooni ilma lisanduvа keerukuseta. 90° kaasatud nurgaga V6 mootoritele lisandub veel üks peavalu: loomulikult ebaühtlased süütamisintervallid, mida kaalutud hooratas suudab ainult osaliselt siluda.

V8 mootored 90° panga nurgaga ja väntvõlli käigud kahes vastastikku risti olevas tasapinnas on väga hästi tasakaalustatud. Ühtlased süütamisintervallid on saavutatavad ja alles jäävad ainult kaks jääkpöördmomendipaarit — kergesti lahendatavad väntvõlli äärmiste lagrite vastukaalu­dega. See on suur osa põhjusest, miks Ameerika insenerid V8 nii entusiastlikult omaks võtsid: nad lihtsalt ei talu vibratsiooni.

V4 mootored olid haruldased ja on nüüdseks autodes peaaegu kadunud. Euroopa Fordi V4 (kasutusel Taunuses, Capris ja Saab 96-s) ning Zaporožetsi omapärane V4 vajasid mõlemad tasakaaluvõlli esimese järgu pöördmomendipaaride jaoks. Kompaktsus ja maksumus olid ajendavad tegurid — tasakaal oli teisejärguline.

V10 mootored jagavad samu tasakaalu omadusi kui viiesilindriline ridamootor. See ei takistanud Vormel 1 mootori disainereid, Dodge Viperi ega Dodge RAM-i neid kasutamast — kui vajad võimsust, tuled vibratsiooniga toime.

Eksootilisematest paigutustest: lame kaheksasilindriline mootor (nagu kasutati Porsche 917 võidusõiduautodel) on sisuliselt kaks ühisel väntvõllil olevat lamenelja, samal ajal kui V12 ja lame kaheteistsilindrilised mootored taanduvad kaheks kuuesilindriliseks ridamootoriks — mis seletab nende erakordset sujuvust.

VR6, VR5 ja W-mootored: Volkswageni pakendamise meistriteos

Puudutasime varem kitsa nurgaga V-mootoreid nagu Lancia Fulvia. Aastakümnete jooksul välditi neid — raskem tasakaalustada kui 60° või 90° paigutusi ja pakendamise eelised ei tundunud vaeva väärt olevat. Siis muutusid prioriteedid.

Kaks arengut muutsid mängu:

• Hüdraulilised mootorikinnid muutusid laialdaselt kättesaadavaks, vähendades dramaatiliselt vibratsiooni ülekandumist sõltumata mootori teoreetilisest tasakaalust.
• Kapoti­alune ruum muutus üha nappimaks, muutes kompaktsuse väärtuslikuks omaduseks. Kes oleks võinud ette kujutada tagasihoidlikku luukpära, milles peitub 2,8-liitriline kuuesilindriline mootor? Volkswagen tegi selle teoks.

Volkswagen VR6 — „VR” tähistab V-Reihen (V-rida) — viib kitsa nurga kontseptsiooni kaugemale kui Lancia kunagi tegi, kasutades pankide vahel kõigest 15° nurka. Tulemus on nii kompaktne, et toimib sisuliselt nihutatud ridamootorina, ja tähelepanuväärselt kasutab see mõlema ploki jaoks ühte silindripead. 2,8-liitriline kuuesilindriline mootor, mis mahub sinna, kuhu tavaline V6 ei mahu — debüteeris kolmanda põlvkonna Volkswagen Golfile.

Sealt edasi läksid Volkswageni insenerid kontseptiga järgmistele tasemetele:

• VR5 saabus kui VR6 ühe eemaldatud silindriga.
• W8 ühendas ühel väntvõllil kaks lühendatud VR-üksust (mõlemal neli silindrit) — paigaldati lipulaevaks olevasse Passat sedaani.
• W12 debüteeris 1998. aastal W12 Roadster kontseptautol: kaks VR6 mootorit ühendatud 72° nurga all ühele väntvõllile.
• W16 — nelja turbolaadijaga — annab Bugatti Veyronile jõu kuni 431 km/h-ni, tehes sellest selle arhitektuuri kõige äärmuslikuma seeriatoodangu rakenduse.

Miks neid paigutusi varem ei eksisteerinud? Kaasaegne arvutipõhine disain tegi need võimalikuks. Kaasatud nurga, vänttappide asukohtade, süütamisjärjekorra ja tasakaalu omaduste optimeerimine nii keeruliste geomeetriate puhul oleks olnud praktiliselt võimatu ilma 1990. aastatest alates kättesaadava arvutusvõimsuseta. Ainuüksi W12 väntvõll on treiali nightmare — sellist osa, mis on mõttekas ainult siis, kui arvuti on iga tolerantsi kontrollinud.

Mis tegelikult loeb reaalse mootori­disaini puhul

Kui sellest kõigest on üks peamine järeldus, siis on see, et teoreetiline tasakaal on harva otsustavaks teguriks, kui insener valib mootori paigutuse. Tegelikud prioriteedid on:

• Pakendamine — kas see mahub mootoriruumi?
• Kaal ja võimsutihedus — mis on rakenduse jaoks parim suhe?
• Tootmiskulu — kas see saab jagada komponente mudelisarja ulatuses?
• Modulaarsus — üha enam ehitavad tootjad terveid mootoriperesid ühisest kolvi ja silindri arhitektuurist, alates kolbesilindrilistest säästuüksustest kuni kaheteistsilindriliste lipulaeva mootoriteni

Mercedes-Benzi praegune mootorivalik on modulaarse lähenemise õpikueks näide: ühine arhitektuur toetab mootoreid väga erinevate võimsuste ja silindrite arvuga.

Ja mis puudutab vibratsiooni — tasub meeles pidada, et teoreetiline ja tegelik tasakaal on kaks väga erinevat asja. Isegi täiuslikult tasakaalustatud kuuesilindriline ridamootor hakkab värisema, kui selle väntvõlli koost pole korralikult tasakaalustatud või kui selle kolbid ja pleuelvardad erinevad märgatavalt raskuselt. Tegelikud tootmistolerantsid ja komponentide deformatsioon koormuse all tähendavad, et ükski mootor ei ole praktikas kunagi nii sujuv, kui võrrandid ette näevad. Seetõttu on mootorikinnite disain — viis, kuidas jõuseade ülejäänud autost isoleeritakse — vähemalt sama oluline kui paigutus ise. Mõnikord isegi olulisem.

See on tõlge. Originaali saate lugeda siit: https://www.drive.ru/technic/4efb337800f11713001e54e1.html