توضیح آرایش‌بندی موتور: موتورهای ردیفی، V شکل و تخت

در آغاز قرن بیستم، زمانی که مهندسی خودرو با سرعت تمام پیشرفت می‌کرد، یک موتور ۱۰ لیتری می‌توانست یا یک واحد تک‌سیلندر باشد یا، مثلاً، یک ردیفی هشت‌سیلندره. در آن دوران، کسی چشمکی به یک ردیفی شش‌سیلندره ۲۳ لیتری یا یک موتور هفت‌سیلندره شعاعی هواپیما که به خودرو منتقل شده بود، نمی‌زد.

با گسترش تولید انبوه و فشار فزاینده هزینه‌ها، همه چیز سر جای خود افتاد. موتور تک‌سیلندر به اثری از گذشته تبدیل شد. امروزه، میانگین حجم سیلندر در یک موتور خودروی معمولی بین ۳۰۰ تا ۶۰۰ سانتی‌متر مکعب است و توان ویژه از حدود ۳۵ اسب بخار در لیتر در یک دیزل تنفس طبیعی تا ۱۰۰ اسب بخار در لیتر در یک موتور بنزینی پرفورمنس متغیر است. اینها نقاط بهینه برای تولید انبوه هستند — خروج از این محدوده‌ها به سادگی مقرون به صرفه نیست.

پس چشم‌انداز مدرن موتورها چگونه است؟ به طور کلی:

• یک موتور ۱۰۰ اسب بخاری معمولاً چهار سیلندر دارد
• یک موتور ۲۰۰ اسب بخاری معمولاً با چهار، پنج یا شش سیلندر کار می‌کند
• یک موتور ۳۰۰ اسب بخاری معمولاً از هشت سیلندر استفاده می‌کند

اما این سیلندرها چگونه می‌توانند چیده شوند؟ مهندسان هنگام طراحی یک موتور چندسیلندره چه گزینه‌های آرایشی دارند؟ بیایید آن را بررسی کنیم.

موتورهای ردیفی: ساده اما به‌طور فزاینده غیرعملی

اولین سؤال در ذهن هر طراح موتوری این است که چگونه طراحی را ساده کند — هزینه‌های تولید را پایین نگه دارد و نگهداری را آسان کند. در این زمینه، موتور ردیفی (خطی) برنده بلامنازع است. سیلندرها در یک ردیف واحد چیده می‌شوند و افزایش ظرفیت به سادگی با افزودن سیلندرهای بیشتر انجام می‌شود.

نحوه دسته‌بندی انواع موتورهای ردیفی در عمل:

• موتورهای دو و سه سیلندره در خودروها نسبتاً نادر هستند، هرچند فرمت دوسیلندره با لطف سیستم تزریق سوخت پیشرفته و توربوشارژر در حال بازگشت است — موتور دوسیلندر توربوشارژر ۸۵ اسب بخاری در فیات ۵۰۰ نمونه برجسته‌ای است.
• موتور ردیفی چهارسیلندره اسب کار دنیای خودروهای سواری است و حجم‌های ۱.۰ تا ۲.۴ لیتری را پوشش می‌دهد.
• موتورهای ردیفی پنج‌سیلندره پیشرفت نسبتاً جدیدتری هستند. مرسدس-بنز در سال ۱۹۷۴ با پنج‌سیلندر دیزل (مدل ۳۰۰D روی پلتفرم W123) پیشگام بود، و دو سال بعد آئودی با پنج‌سیلندر بنزینی دولیتری به میدان آمد، سپس ولوو و فیات در اواخر دهه ۱۹۸۰ به جمع پیوستند.
• موتورهای ردیفی شش‌سیلندره، که دیرزمانی مورد علاقه اروپایی‌ها به خاطر نرمی‌شان بود، به‌طور فزاینده‌ای نادر شده‌اند. برادر بلندقامت‌تر آن‌ها، ردیفی هشت‌سیلندره، در دهه ۱۹۳۰ به‌طور مؤثر کنار گذاشته شد.

دلیل این روند واضح است: هر چه سیلندرهای بیشتری اضافه کنید، موتور طولانی‌تر می‌شود — و این مشکلات جدی در جاگذاری ایجاد می‌کند. به عنوان مثال، جا دادن یک موتور ردیفی شش‌سیلندره به صورت عرضی در یک موتورخانه با دیفرانسیل جلو تنها در چند مورد انگشت‌شمار محقق شده است: آستین ماکسی ۲۲۰۰ (که نیاز داشت گیربکس زیر موتور قرار گیرد) و ولوو S80 با گیربکس فوق‌العاده فشرده‌اش.

موتورهای V شکل و تخت: فشرده اما پیچیده

پس چگونه یک موتور ردیفی را کوتاه‌تر کنیم؟ راه‌حل زیبا: آن را از وسط نصف کنید، دو نیمه را کنار هم قرار دهید و یک میل‌لنگ واحد را با هر دو به حرکت درآورید. این جوهر موتور V است.

رایج‌ترین آرایش‌های موتور V از زاویه ۶۰ یا ۹۰ درجه بین ردیف‌های سیلندر استفاده می‌کنند. اگر این زاویه را تا ۱۸۰ درجه باز کنید — سیلندرها مستقیماً رو به روی هم قرار گیرند — یک موتور تخت به دست می‌آید که به موتور بوکسر نیز معروف است (از این‌جا نام‌گذاری B2، B4، B6 می‌آید).

مبادلات در مقایسه با موتور ردیفی قابل توجه است:

• دو سرسیلندر — هر کدام با واشر و منیفولد خاص خود
• میل‌بادامک‌های بیشتر و آرایش پیچیده‌تر محرک سوپاپ
• عرض بیشتر (به‌ویژه برای موتورهای تخت)، که محدودیت‌هایی در مکان نصب ایجاد می‌کند
• هزینه تولید بالاتر و سرویس پیچیده‌تر

به خاطر این معایب، موتورهای تخت تنها توسط تعداد کمی از تولیدکنندگان استفاده می‌شوند — پورشه و سوبارو برجسته‌ترین آن‌ها در حال حاضر هستند.

چطور است که یک موتور V را با کاهش زاویه زیر ۶۰ درجه فشرده‌تر کنیم؟ این کار انجام شده — لانچا فولویا دهه ۱۹۷۰ از یک V4 با زاویه‌ای تنها ۲۳ درجه استفاده می‌کرد. اما یک مشکل وجود دارد: هرچه زاویه کوچک‌تر باشد، تعادل موتور دشوارتر است. که ما را به یکی از چالش‌های مهم‌ترین در طراحی موتور می‌رساند.

لرزش موتور: نیروها، گشتاورها و نحوه مهار آن‌ها

هیچ موتور احتراق داخلی پیستونی به‌طور کامل عاری از لرزش نیست — این ذاتی طراحی است. اما مدیریت لرزش بسیار مهم است، نه تنها برای راحتی سرنشینان. لرزش شدید نامتعادل می‌تواند از نظر فیزیکی اجزای موتور را نابود کند، با تمام عواقب فاجعه‌باری که پرتاب شدن قطعات در سرعت بالا به همراه دارد.

لرزش موتور از کجا می‌آید؟ سه منبع اصلی وجود دارد:

• فواصل جرقه‌زنی نامنظم — در برخی آرایش‌های موتوری، کورس‌های قدرت با فاصله‌های کاملاً برابر شلیک نمی‌کنند، که موج گشتاور ایجاد می‌کند. یک فلایویل سنگین‌تر می‌تواند به یکنواخت کردن این کمک کند.
• نیروهای اینرسی پیستون — هنگامی که پیستون‌ها به سمت بالا شتاب می‌گیرند و در بالای کورسشان کند می‌شوند (و برعکس در پایین)، نیروهای اینرسی مشابه آنچه در ترمز یا شتاب گرفتن خودرو احساس می‌کنید تولید می‌کنند.
• هندسه شاتون — شاتون در یک خط مستقیم حرکت نمی‌کند و حرکت پیستون یک سینوس کامل نیست، که اجزای نیروی اضافی در مضرب‌های سرعت میل‌لنگ ایجاد می‌کند.

این نیروهای اینرسی مرتبه بالاتر معمولاً قابل اغماض هستند — به جز نیروهای مرتبه دوم، که با دو برابر فرکانس میل‌لنگ عمل می‌کنند و باید همیشه در نظر گرفته شوند. وقتی نیروهای اینرسی در سیلندرهای مجاور در جهت‌های مخالف و در فاصله ثابتی از یکدیگر عمل می‌کنند، گشتاورهای زوجی نیز تولید می‌کنند که لایه‌ای دیگر از پیچیدگی اضافه می‌کند.

مهندسان دو ابزار اصلی برای مقابله با این نیروها دارند:

• انتخاب یک آرایش ذاتاً متعادل — سیلندرها و دسته‌های میل‌لنگ را به گونه‌ای چیدن که نیروها و گشتاورها به‌طور طبیعی یکدیگر را خنثی کنند.
• افزودن شفت‌های تعادل — شفت‌های ثانویه با وزنه‌های تعادل که در جهت مخالف میل‌لنگ می‌چرخند و نیروهای برابر و مخالف تولید می‌کنند. این‌ها هزینه و پیچیدگی مکانیکی را افزایش می‌دهند اما می‌توانند مدهای لرزش مشکل‌ساز را کاملاً خنثی کنند.

از تمام آرایش‌های رایج موتور، تنها دو مورد از نظر تئوری کاملاً متعادل هستند: ردیفی شش‌سیلندره و تخت شش‌سیلندره. این دقیقاً همان دلیلی است که بی‌ام‌و و پورشه به این آرایش‌ها چنگ زده‌اند — و چرا دیگران با وجود چالش‌های جاگذاری از کنار گذاشتن آن‌ها دریغ کرده‌اند.

تعادل موتور بر اساس آرایش: یک راهنمای عملی

بیایید ببینیم هر آرایش اصلی موتور در دنیای واقعی از نظر لرزش و تعادل چگونه عمل می‌کند.

موتورهای ردیفی دوسیلندره (میل‌لنگ در یک جهت) از نظر تعادل مشابه تک‌سیلندره رفتار می‌کنند — هر دو پیستون هم‌زمان بالا و پایین می‌روند. اوکای روسی از دو شفت تعادل مخالف‌گرد برای مقابله با نیروهای اینرسی مرتبه اول استفاده کرد، اما نیروهای مرتبه دوم بدون کنترل باقی ماندند. افزودن دو شفت تعادل دیگر برای چنین خودروی کوچک و مقرون به صرفه‌ای کاملاً غیرعملی بود. بسیاری از موتورهای دوسیلندره — مانند فیات ۵۰۰ اصلی سال ۱۹۵۷ و تاتا نانوی هندی — به سادگی بدون هیچ شفت تعادلی کار کردند و به داربست‌های موتور برای جذب لرزش متکی بودند. ارزان، ساده، و برای کاربردهای بودجه‌ای قابل قبول.

موتورهای دوسیلندره با میل‌لنگ ۱۸۰ درجه (پیستون‌ها در فاز مخالف) تعادل اولیه بهتری ارائه می‌دهند اما فواصل جرقه‌زنی یکنواخت تنها در فرم دوزمانه امکان‌پذیر است — همان‌طور که در DKWهای پیش از جنگ و نسلشان، ترابانت آلمان شرقی، استفاده می‌شد.

موتورهای V دوقلو امروزه تقریباً منحصراً در موتورسیکلت‌ها باقی مانده‌اند — هارلی-دیویدسون و تقلیدکنندگان ژاپنی آن مثال‌های آشکارند. NAMI-1 عملاً تنها خودرویی است که تا به حال از این آرایش استفاده کرده است. وزنه‌های تعادل روی میل‌لنگ می‌توانند آن را به تعادل کامل نزدیک کنند، اما فواصل جرقه‌زنی یکنواخت دست‌نیافتنی باقی می‌ماند.

موتورهای سه‌سیلندره تعادل بدتری نسبت به یک ردیفی چهارسیلندره دارند. تولیدکنندگانی مانند سوبارو و دایهاتسو شفت‌های تعادل را به عنوان استاندارد نصب می‌کنند؛ تصمیم اوپل برای حذف یکی از آن‌ها در موتور اکوتک سه‌سیلندره برای کورسای نسل دوم در هزینه صرفه‌جویی کرد اما پس از معرفی در سال ۱۹۹۶، خودرو را به شهرتی بد در مطبوعات خودروی آلمانی رساند — به عنوان «کاملاً غیرممکن برای رانندگی در شهر در حالت‌های متغیر» توصیف شد.

موتورهای ردیفی چهارسیلندره — رایج‌ترین آرایش در جهان — دارای یک نیروی اینرسی آزاد مرتبه دوم هستند که تنها با شفت تعادلی که با دو برابر سرعت میل‌لنگ می‌چرخد قابل خنثی‌سازی است. برای خنثی کردن گشتاور حاصل، یک شفت دوم مخالف‌گرد نیاز است. گران، بله — اما میتسوبیشی، ساب، فورد، فیات و برندهای گروه فولکس‌واگن همگی از این راه‌حل هنگامی که ظرافت ایجاب می‌کرد استفاده کرده‌اند.

موتورهای تخت چهارسیلندره کمی بهتر از همتایان ردیفی خود عمل می‌کنند — تنها یک گشتاور زوجی مرتبه دوم باقی می‌ماند که تمایل دارد موتور را حول محور عمودی‌اش بچرخاند. حتی با این حال، هم موتور بیتل خنک‌شده با هوا و هم یونیت‌های بوکسر سوبارو دهه‌هاست بدون شفت‌های تعادل کار کرده‌اند.

موتورهای ردیفی پنج‌سیلندره نیروهای اینرسی اولیه جبران‌شده‌ای دارند اما از یک گشتاور خمشی غلتان رنج می‌برند که دائماً در بلوک حرکت می‌کند — و یک ساختار فوق‌العاده سخت را می‌طلبد. مرسدس-بنز، آئودی و ولوو از طریق داربست‌های موتور پالایش‌شده و وزنه‌های تعادل (مانند ۲.۵ TFSI سوپرشارژ در آئودی TT RS) به این مشکل پرداختند، در حالی که مهندسان فیات پا را فراتر گذاشتند و از شفت تعادل کامل استفاده کردند.

یک نکته جالب: تقریباً تمام موتورهای پنج‌سیلندره اساساً موتورهای چهارسیلندره‌ای هستند که یک سیلندر اضافه به آن‌ها متصل شده است. این رویکرد مدولار امکان به اشتراک گذاشتن پیستون‌ها، شاتون‌ها و اجزای دیفرانسیل سوپاپ را فراهم می‌کند — تنها بلوک، سرسیلندر و میل‌لنگ (با دسته‌های ۷۲ درجه) نیاز به تغییر دارند.

موتورهای V6 که جایگزین ردیفی شش‌سیلندره‌ها شدند همان ویژگی‌های تعادلی یک موتور سه‌سیلندره را دارند — به این معنا که ایده‌آل نیستند. اولین V6 مرسدس-بنز (M112، با سه سوپاپ در هر سیلندر) با یک شفت تعادل نصب‌شده در دره بین ردیف‌ها به این مشکل پرداخت. موتور شش‌سیلندره سه‌لیتری گروه PSA یکی را در سرسیلندر قرار داد. سایر تولیدکنندگان جابجایی دقیق پین میل‌لنگ را انتخاب کردند — همان‌طور که در V6 آئودی دیده می‌شود — تا لرزش را بدون پیچیدگی اضافه به حداقل برسانند. موتورهای V6 با زاویه ۹۰ درجه دردسر دیگری اضافه می‌کنند: فواصل جرقه‌زنی ذاتاً نامنظمی که یک فلایویل وزن‌دار تنها تا حدی می‌تواند آن را یکنواخت کند.

موتورهای V8 با زاویه ۹۰ درجه بین ردیف‌ها و دسته‌های میل‌لنگ در دو صفحه عمود بر هم بسیار خوب متعادل هستند. فواصل جرقه‌زنی یکنواخت قابل دستیابی است و تنها دو گشتاور زوجی باقی می‌مانند — که به راحتی با وزنه‌های تعادل روی ژورنال‌های انتهایی میل‌لنگ قابل حل هستند. این بخش مهمی از دلیل علاقه شدید مهندسان آمریکایی به V8 است: آن‌ها به سادگی لرزش را تحمل نمی‌کنند.

موتورهای V4 نادر بودند و اکنون در خودروها تقریباً منسوخ شده‌اند. V4 اروپایی فورد (استفاده‌شده در تائونوس، کاپری و ساب ۹۶) و V4 عجیب زاپوروژتس هر دو برای گشتاورهای زوجی مرتبه اول به شفت تعادل نیاز داشتند. فشردگی و هزینه عوامل اصلی بودند — تعادل در درجه دوم اهمیت بود.

موتورهای V10 همان ویژگی‌های تعادلی یک ردیفی پنج‌سیلندره را دارند. این مانع طراحان موتورهای فرمول یک، دوج وایپر یا دوج RAM نشد — وقتی به قدرت نیاز دارید، لرزش را مدیریت می‌کنید.

در مورد آرایش‌های عجیب‌تر: تخت هشت‌سیلندره (همان‌طور که در خودروهای مسابقه‌ای پورشه ۹۱۷ استفاده شد) عملاً دو تخت چهارسیلندره روی یک میل‌لنگ مشترک است، در حالی که موتورهای V12 و تخت دوازده‌سیلندره به دو ردیفی شش‌سیلندره تقلیل می‌یابند — که نرمی استثنایی آن‌ها را توضیح می‌دهد.

VR6، VR5 و موتورهای W: شاهکار جاگذاری فولکس‌واگن

پیش‌تر به موتورهای V با زاویه باریک مانند لانچا فولویا اشاره کردیم. دهه‌ها از آن‌ها اجتناب می‌شد — تعادل سخت‌تر از آرایش‌های ۶۰ یا ۹۰ درجه، با مزایای جاگذاری که ارزش دردسر نداشت. سپس اولویت‌ها تغییر کردند.

دو تحول بازی را عوض کردند:

• داربست‌های موتور هیدرولیک به‌طور گسترده در دسترس شدند و انتقال لرزش را بدون توجه به تعادل تئوریک موتور به شدت کاهش دادند.
• فضای زیر کاپوت به‌طور فزاینده‌ای کمیاب شد، و فشردگی را به یک ویژگی ارزشمند تبدیل کرد. چه کسی تصور می‌کرد یک هاچ‌بک معمولی یک موتور شش‌سیلندره ۲.۸ لیتری پنهان کند؟ فولکس‌واگن این کار را کرد.

فولکس‌واگن VR6 — که «VR» مخفف V-Reihen (V-ردیفی) است — مفهوم زاویه باریک را فراتر از آنچه لانچا انجام داد پیش می‌برد و تنها از زاویه‌ای ۱۵ درجه بین ردیف‌ها استفاده می‌کند. نتیجه آنقدر فشرده است که عملاً به عنوان یک موتور ردیفی انحرافی عمل می‌کند و قابل توجه است که از یک سرسیلندر واحد برای هر دو ردیف استفاده می‌کند. یک موتور شش‌سیلندره ۲.۸ لیتری که جایی که یک V6 معمولی جا نمی‌شود قرار می‌گیرد — در گلف نسل سوم فولکس‌واگن رونمایی شد.

از آن‌جا، مهندسان فولکس‌واگن این مفهوم را گسترش دادند:

• VR5 به عنوان VR6 منهای یک سیلندر معرفی شد.
• W8 دو یونیت VR کوتاه‌شده (هر کدام چهار سیلندر) را روی یک میل‌لنگ واحد ترکیب کرد — در سدان پاسات پرچم‌دار نصب شد.
• W12 در سال ۱۹۹۸ روی کانسپت W12 Roadster رونمایی شد: دو موتور VR6 در زاویه ۷۲ درجه روی یک میل‌لنگ.
• W16 — با چهار توربوشارژر — بوگاتی ویرون را با سرعت ۴۳۱ کیلومتر در ساعت به حرکت درمی‌آورد و پیشرفته‌ترین کاربرد تولیدی این معماری است.

چرا این آرایش‌ها پیش‌تر وجود نداشتند؟ طراحی به کمک کامپیوتر مدرن آن‌ها را ممکن کرد. بهینه‌سازی زاویه، موقعیت‌های پین میل‌لنگ، ترتیب جرقه‌زنی و ویژگی‌های تعادل در چنین هندسه‌های پیچیده‌ای بدون قدرت محاسباتی موجود از دهه ۱۹۹۰ به بعد تقریباً غیرممکن بود. میل‌لنگ یک W12 به‌تنهایی کابوس یک ماشین‌کار است — نوع قطعه‌ای که تنها زمانی منطقی است که یک کامپیوتر هر تلرانسی را تأیید کرده باشد.

آنچه واقعاً در طراحی موتور در دنیای واقعی اهمیت دارد

اگر یک نکته مهم از تمام این‌ها وجود داشته باشد، این است که تعادل تئوریک به ندرت عامل تعیین‌کننده است زمانی که یک مهندس آرایش موتور را انتخاب می‌کند. اولویت‌های واقعی عبارتند از:

• جاگذاری — آیا در موتورخانه جا می‌گیرد؟
• وزن و چگالی توان — بهترین نسبت برای کاربرد چیست؟
• هزینه تولید — آیا می‌تواند قطعات را در سراسر یک خط محصول به اشتراک بگذارد؟
• مدولاریتی — به‌طور فزاینده‌ای، تولیدکنندگان کل خانواده‌های موتور را از یک معماری پیستون و سوراخ مشترک می‌سازند، از واحدهای اقتصادی سه‌سیلندره تا پرچم‌داران دوازده‌سیلندره

خط موتور فعلی مرسدس-بنز نمونه درسی رویکرد مدولار است: یک معماری مشترک موتورها را در خروجی‌های توانی و تعداد سیلندرهای بسیار متفاوت پشتیبانی می‌کند.

و در مورد لرزش — ارزش یادآوری دارد که تعادل تئوریک و واقعی دو چیز کاملاً متفاوت هستند. حتی یک ردیفی شش‌سیلندره کاملاً متعادل نیز می‌لرزد اگر مجموعه میل‌لنگ آن به درستی متعادل نشده باشد یا اگر پیستون‌ها و شاتون‌های آن وزن قابل توجهی از هم داشته باشند. تلرانس‌های تولید در دنیای واقعی و تغییر شکل قطعات تحت بار به این معنی است که هیچ موتوری در عمل به اندازه معادلات نرم نیست. به همین دلیل طراحی داربست موتور — نحوه ایزوله کردن محرک از بقیه خودرو — به اندازه خود آرایش مهم است. گاهی اوقات بیشتر.

این یک ترجمه است. نسخه اصلی را می‌توانید اینجا بخوانید: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html