Moottorin kokoonpanot selitettyinä: Rivimoottorit, V-moottorit ja bokserimoottorit

1900-luvun alussa, kun autoteollisuus kehittyi täyttä vauhtia, 10-litrainen moottori saattoi olla joko yksisylinterinen tai vaikkapa suoraviivainen kahdeksansylinterinen rivimoottori. Tuolloin kukaan ei silmää räpäyttänyt 23-litraiselle suoralle kuusisylinteriselle tai lentokoneesta siirretylle seitsemänsylinteriselle tähtimoottorin kokoonpanolle autossa.

Kun sarjatuotanto laajeni ja kustannuspaineet kasvoivat, kaikki loksahti paikoilleen. Yksisylinterisestä moottorista tuli menneiden aikojen reliikin. Nykyään tavallisen henkilöauton moottorin keskimääräinen sylinteritilavuus on 300–600 kuutiosenttimetriä, ja ominaisteho vaihtelee noin 35 hv/l:sta luonnostaan imevässä dieselmoottorissa aina 100 hv/l:aan suorituskykyisessä bensiinimoottorissa. Nämä ovat massamarkkinatuotannon optimialueita — niiden ulkopuolelle meneminen ei yksinkertaisesti ole taloudellisesti kannattavaa.

Miltä nykyinen moottorimaisema sitten näyttää? Yleisesti ottaen:

• 100 hv:n moottorissa on tyypillisesti neljä sylinteriä
• 200 hv:n moottorissa on yleensä neljä, viisi tai kuusi sylinteriä
• 300 hv:n moottorissa on tavallisesti kahdeksan sylinteriä

Mutta miten nämä sylinterit voidaan oikeastaan sijoittaa? Mitä kokoonpanovaihtoehtoja insinööreillä on suunniteltaessa monisylinteristä moottoria? Käydään se läpi.

Rivimoottorit: Yksinkertaisia, mutta yhä epäkäytännöllisempiä

Jokaisen moottorinsuunnittelijan tärkein kysymys on, kuinka yksinkertaistaa rakennetta — pitää tuotantokustannukset alhaisina ja huolto suoraviivaisena. Tässä suhteessa rivimoottori (suora moottori) voittaa ylivoimaisesti. Sylinterit on järjestetty yhteen riviin, ja kapasiteetin kasvattaminen on yhtä helppoa kuin sylintereiden lisääminen.

Näin rivimoottorivariantit jakautuvat käytännössä:

• Kaksi- ja kolmisylinteriset moottorit ovat autoissa suhteellisen harvinaisia, vaikka kaksisylinterinen kokoonpano tekee paluuta kehittyneen polttoaineen suihkutuksen ja turboahtamisen ansiosta — esimerkkinä Fiat 500:n 85 hv:n turboahdettu kaksisylinterinen.
• Suora nelisylinterinen on henkilöautomaailman työjuhta, ja se kattaa sylinteritilavuudet 1,0:sta 2,4 litraan.
• Suorat viisisylinteriset moottorit ovat uudempi kehitysaskel. Mercedes-Benz teki pioneerin työn dieselkäyttöisellä viisisylinterisellä vuonna 1974 (300D W123-alustalla), minkä jälkeen Audi toi kaksi vuotta myöhemmin kaksilitraisen bensiinisen viisisylinterisensä, ja Volvo sekä Fiat seurasivat perässä 1980-luvun lopulla.
• Suorat kuusisylinteriset moottorit, pitkään eurooppalainen suosikki niiden tasaisen käynnin ansiosta, ovat käyneet yhä harvinaisemmiksi. Niiden vielä pidempi sisarusmalli, suora kahdeksansylinterinen, hylättiin käytännössä jo 1930-luvulla.

Tämän kehityssuunnan syy on selkeä: mitä enemmän sylintereitä lisätään, sitä pidemmäksi moottori kasvaa — ja se aiheuttaa vakavia sijoitteluhaasteita. Suoran kuusisylinterisen sovittaminen poikittaissuuntaisesti etupyörävetoisen auton moottoritilaan on esimerkiksi onnistunut vain harvoissa tapauksissa: Austin Maxi 2200:ssa (joka vaati vaihdelaatikon sijoittamista moottorin alle) ja Volvo S80:ssa erittäin kompaktilla vaihdelaatikollaan.

V-moottorit ja bokserimoottorit: Kompakteja, mutta monimutkaisia

Kuinka siis lyhentää rivimoottoria? Tyylikäs ratkaisu: jaa se kahtia, aseta puoliskot vierekkäin ja vedä yhtä kampiakselia molemmilla. Tämä on V-moottorin ydin.

Yleisimmissä V-moottorikokoonpanoissa sylinterilohkojen välinen kulma on 60° tai 90°. Kun tämä kulma viedään aina 180°:een — sylinterit osoittavat suoraan poispäin toisistaan — saadaan bokserimoottoriksi kutsuttu tasamoottori (mistä tulevat myös nimitykset B2, B4, B6).

Verrattuna rivimoottoriin kompromissit ovat merkittäviä:

• Kaksi sylinterinkantta — kummallakin omat tiivisteet ja imu- ja pakoputkistot
• Enemmän nokka-akseleita ja monimutkaisempi venttiilikoneisto
• Suurempi leveys (erityisesti bokserimoottoreilla), mikä rajoittaa niiden asennuspaikkoja
• Korkeammat valmistuskustannukset ja monimutkaisempi huolto

Näiden haittapuolien vuoksi bokserimoottoreja käyttää vain pieni joukko valmistajia — tänä päivänä merkittävimpinä Porsche ja Subaru.

Entä jos V-moottorista tehdään vieläkin kompaktimpi pienentämällä sylinterilohkojen välistä kulmaa alle 60°:een? Se on tehty — 1970-luvun Lancia Fulviassa käytettiin V4-moottoria, jonka kulma oli vain 23°. Mutta siinä on kompastuskivi: mitä kapeampi kulma, sitä vaikeampi moottoria on tasapainottaa. Tämä johtaa meidät yhteen moottorinsuunnittelun kriittisimmistä haasteista.

Moottorin tärinä: Voimat, momentit ja niiden hallinta

Yksikään männän polttomoottorin ei ole täysin vapaa tärinästä — se on rakenteelle ominaista. Tärinän hallinta on kuitenkin ratkaisevan tärkeää, ei vain matkustusmukavuuden vuoksi. Vakava epätasapainoisesta tärinästä johtuva rasitus voi fyysisesti tuhota moottorin osia, ja siitä aiheutuvat katastrofaaliset seuraukset, kun osat lentävät irti suurella nopeudella.

Mistä moottorin tärinä syntyy? Sillä on kolme päälähdettä:

• Epätasaiset sytytysvälit — joissakin moottorikokoonpanoissa työtahdit eivät tapahdu täsmälleen tasaisin välein, mikä aiheuttaa vääntömomentin vaihtelua. Painavampi vauhtipyörä voi tasoittaa tätä.
• Männän hitausvoimat — kun männät kiihtyvät ylöspäin ja hidastuvat iskun yläkuolokohdassa (ja päinvastoin alakuolokohdassa), ne synnyttävät hitausvoimia, jotka muistuttavat sitä, mitä tunnet auton jarrutuksen tai kiihtymisen aikana.
• Kiertokangen geometria — kiertokangen liike ei ole suoraviivainen, eikä männän liike ole täydellinen siniaaltio, mikä lisää ylimääräisiä voimakomponentteja kampiakselin kierrosnopeuden monikertaisina.

Nämä korkeamman asteen hitausvoimat ovat yleensä merkityksettömiä — lukuun ottamatta toisen asteen voimia, jotka vaikuttavat kaksinkertaisella kampiakselin taajuudella ja jotka on aina otettava huomioon. Kun vierekkäisten sylinterien hitausvoimat vaikuttavat vastakkaisiin suuntiin kiinteän etäisyyden päässä toisistaan, ne synnyttävät myös momenttipareja, mikä lisää suunnittelun monimutkaisuutta entisestään.

Insinööreillä on kaksi päätapaa torjua näitä voimia:

• Valita luonnostaan tasapainoinen kokoonpano — järjestä sylinterit ja kampiakselin kammet niin, että voimat ja momentit kumoavat toisensa luonnollisesti.
• Lisätä tasapainoakseleita — toissijaisia akseleita vastapainoineen, jotka pyörivät kampiakseliin nähden vastakkaiseen suuntaan ja synnyttävät yhtä suuria ja vastakkaissuuntaisia voimia. Nämä lisäävät kustannuksia ja mekaanista monimutkaisuutta, mutta voivat täysin neutraloida ongelmalliset tärinätaajuudet.

Kaikista tavallisista moottorikokoonpanoista vain kaksi on teoreettisesti täysin tasapainoisia: suora kuusisylinterinen ja bokseri-kuusisylinterinen. Juuri tästä syystä BMW ja Porsche ovat pitäneet kiinni näistä kokoonpanoista niin tiukasti — ja siksi muut ovat olleet haluttomia luopumaan niistä sijoitteluhaasteista huolimatta.

Moottorin tasapaino kokoonpanoittain: Käytännön opas

Katsotaan, miten kukin tärkeimmistä moottorikokoonpanoista pärjää käytännössä tärinän ja tasapainon suhteen.

Kaksisylinteriset rivimoottorit (kammet samaan suuntaan) käyttäytyvät tasapainon kannalta samaan tapaan kuin yksisylinterinen — molemmat männät nousevat ja laskevat samassa tahdissa. Venäläinen Oka käytti kahta vastasuuntaisesti pyörivää tasapainoakselia ensimmäisen asteen hitausvoimien hallitsemiseksi, mutta toisen asteen voimia ei korjattu. Kahden lisätasapainoakselin lisääminen olisi ollut täysin epäkäytännöllistä niin pienessä ja edullisessa autossa. Monet kaksisylinteriset moottorit — kuten alkuperäinen vuoden 1957 Fiat 500 ja intialainen Tata Nano — toimivat ilman tasapainoakseleita, luottaen joustoiviin moottorikiinnikkeisiin tärinän vaimentamiseksi. Halpa, yksinkertainen ja hyväksyttävä budjettisovelluksiin.

Kaksisylinteriset moottorit, joissa kammet ovat 180°:n kulmassa (männät liikkuvat vastakkaisissa vaiheissa), tarjoavat paremman primääritasapainon, mutta tasaiset sytytysvälit ovat saavutettavissa ainoastaan kaksitahtisena — kuten sotaa edeltävissä DKW-malleissa ja niiden jälkeläisessä, Itä-Saksan Trabantissa.

V-kaksisylinteriset moottorit ovat nykyään käytössä lähes yksinomaan moottoripyörissä — Harley-Davidson ja sen japanilaiset jäljittelijät ovat ilmeisimmät esimerkit. NAMI-1 on käytännössä ainoa auto, joka on koskaan käyttänyt tätä kokoonpanoa. Kampiakselin vastapainot voivat tuoda sen lähes täydelliseen tasapainoon, mutta tasaiset sytytysvälit jäävät saavuttamatta.

Kolmisylinteriset moottorit ovat heikommin tasapainoitettuja kuin suorat nelisylinteriset. Valmistajat kuten Subaru ja Daihatsu asentavat tasapainoakselit vakiovarusteena; Opelin päätös jättää sellainen pois Ecotec-kolmisylinterisestä toisen sukupolven Corsaan säästi kustannuksia, mutta hankki autolle karkean maineen saksalaisessa autolehdistössä vuoden 1996 ensiesiintymisen jälkeen — sitä kuvailtiin “täysin mahdottomaksi ajaa kaupungissa vaihtelevissa ajotilanteissa”.

Suorat nelisylinteriset moottorit — maailman yleisin kokoonpano — sisältävät vapaan toisen asteen hitausvoiman, joka voidaan neutraloida vain kaksinkertaisella kampiakselin nopeudella pyörivällä tasapainoakselilla. Tuloksena syntyvän momentin kumoamiseksi tarvitaan toinen vastasuuntaisesti pyörivä akseli. Kallista, kyllä — mutta Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat ja Volkswagen-konsernin merkit ovat kaikki käyttäneet tätä järjestelmää silloin, kun tärinänvaimennus on sitä vaatinut.

Bokseri-nelisylinteriset moottorit pärjäävät hieman paremmin kuin rivimoottorisisaruksensa — jäljelle jää vain toisen asteen momenttipari, joka pyrkii kallistamaan moottoria pystyakselin ympäri. Siitä huolimatta sekä ilmajäähdytteinen Beetle-moottori että Subaru’n bokseriyksiköt ovat selvinneet vuosikymmeniä ilman tasapainoakseleita.

Suorissa viisisylinterisissä moottoreissa ensimmäisen asteen hitausvoimat kumoavat toisensa, mutta niissä esiintyy kiertyvä taivutusmomentti, joka kulkee jatkuvasti lohkon läpi — mikä edellyttää poikkeuksellisen jäykkää rakennetta. Mercedes-Benz, Audi ja Volvo ratkaisivat tämän hienostuneilla moottorikiinnikkeillä ja vastapainoilla (kuten Audi TT RS:n ylikuormitettu 2,5 TFSI), kun taas Fiatin insinöörit menivät pidemmälle ja käyttivät täyttä tasapainoakselia.

Mielenkiintoinen kuriositeetti: lähes kaikki viisisylinteriset moottorit ovat pohjimmiltaan nelisylinterisiä moottoreita, joihin on lisätty yksi sylinteri. Tämä modulaarinen lähestymistapa mahdollistaa yhteisten mäntien, kiertokankejen ja venttiilimekanismin komponenttien käytön — ainoastaan lohko, sylinterinkansi ja kampiakseli (nokkatappi 72°:n välein) täytyy vaihtaa.

V6-moottorit, jotka korvasivat suorat kuusisylinteriset, jakavat samat tasapainoominaisuudet kuin kolmisylinterinen — mikä ei siis ole ihanteellista. Aivan ensimmäinen Mercedes-Benzin V6 (M112, kolme venttiiliä per sylinteri) ratkaisi tämän tasapainoakselilla, joka asennettiin sylinterilohkojen väliseen tilaan. PSA-konsernin kolmilitrainen kuusisylinterinen sijoitti sellaisen sylinterinkanteen. Muut valmistajat valitsivat huolellisen kammen tappi -siirron — kuten Audin V6:ssa — tärinän minimoimiseksi ilman lisättyä monimutkaisuutta. 90°:n kulmalla varustettuihin V6-moottoreihin lisääntyy vielä yksi ongelma: luontaisesti epätasaiset sytytysvälit, joita painotettu vauhtipyörä voi vain osittain tasoittaa.

V8-moottorit, joissa on 90°:n sylinterilohkojen kulma ja kampiakselin kammet kahdessa toisiaan kohtisuorassa tasossa, ovat erittäin hyvin tasapainoitettuja. Tasaiset sytytysvälit ovat saavutettavissa, ja jäljelle jää vain kaksi jäännösmomenttiparia — jotka kampiakselin laakeripesien vastapainot hoitavat helposti. Tämä on suuri syy siihen, miksi amerikkalaiset insinöörit omaksuivat V8:n niin innokkaasti: he yksinkertaisesti eivät siedä tärinää.

V4-moottorit olivat harvinaisia ja ovat nyt lähes kadonneet autoista. Eurooppalainen Fordin V4 (käytössä Taunuksessa, Caprissa ja Saab 96:ssa) ja Zaporozhetsin erikoinen V4 vaativat molemmat tasapainoakselin ensimmäisen asteen momenttiparien hallitsemiseksi. Kompaktisuus ja kustannukset olivat ohjaavia tekijöitä — tasapaino oli toissijainen.

V10-moottorit jakavat samat tasapainoominaisuudet kuin suora viisisylinterinen. Se ei estänyt Formula 1 -moottorien, Dodge Viperin tai Dodge RAMin suunnittelijoita käyttämästä niitä — kun tarvitset tehon, hallitset tärinän.

Eksoottisempien kokoonpanojen osalta: bokseri-kahdeksansylinterinen (kuten Porsche 917 -kilpa-autoissa) on käytännössä kaksi bokseri-nelisylinteristä yhteisellä kampiakselilla, kun taas V12- ja bokseri-12-sylinteriset moottorit pelkistyvät kahdeksi suoraksi kuusisylinteriseksi — mikä selittää niiden poikkeuksellisen sulavan käynnin.

VR6, VR5 ja W-moottorit: Volkswagenin pakkausihme

Sivusimme aiemmin kapeakulmaisia V-moottoreita, kuten Lancia Fulviaa. Vuosikymmenien ajan niitä välteltiin — vaikeampia tasapainottaa kuin 60°:n tai 90°:n kokoonpanoja, eikä tilavoitto tuntunut vaivan arvoinen. Sitten prioriteetit muuttuivat.

Kaksi kehityskulkua muutti tilanteen:

• Hydrauliset moottorikiinnikkeet yleistyivät laajasti, mikä vähensi dramaattisesti tärinän siirtymistä riippumatta moottorin teoreettisesta tasapainosta.
• Moottoritilan tila kävi yhä niukemmaksi, mikä teki kompaktiudesta arvokkaan ominaisuuden. Kuka olisi arvannut, että vaatimaton hatchback piilottaisi 2,8-litraisen kuusisylinterisen moottorin? Volkswagen teki sen mahdolliseksi.

Volkswagen VR6 — “VR” tulee sanoista V-Reihen (V-rivi) — vie kapeakulmaisen konseptin pidemmälle kuin Lancia koskaan teki, käyttäen vain 15°:n kulmaa sylinterilohkojen välillä. Tulos on niin kompakti, että se toimii käytännössä siirretyn rivimoottoriin tapaan, ja hämmästyttävästi siinä käytetään yhtä sylinterinkantta molemmille lohkoille. 2,8-litrainen kuusisylinterinen moottori, joka mahtuu sinne, minne tavanomainen V6 ei mahtuisi — esiteltiin kolmannen sukupolven Volkswagen Golfissa.

Siitä Volkswagenin insinöörit jatkoivat konseptin kehittämistä:

• VR5 saapui VR6:na, josta yksi sylinteri on poistettu.
• W8 yhdisti kaksi lyhenneltyä VR-yksikköä (neljä sylinteriä kumpainenkin) yhdelle kampiakselille — asennettuna lippulaiva-Passat-sedaniin.
• W12 esiteltiin vuonna 1998 W12 Roadster -konseptissa: kaksi VR6-moottoria yhdistettynä 72°:n kulmassa yhdelle kampiakselille.
• W16 — neljällä turboahtimella — vie Bugatti Veyronin 431 km/h:n nopeuteen, tehden siitä tämän arkkitehtuurin äärimmäisimmän tuotantosovelluksen.

Miksi nämä kokoonpanot eivät olleet olemassa aiemmin? Nykyaikainen tietokoneavusteinen suunnittelu teki ne mahdollisiksi. Sylinterilohkojen välisen kulman, kammentappien sijaintien, sytytyksen järjestyksen ja tasapainoominaisuuksien optimointi tällaisissa monimutkaisissa geometrioissa olisi ollut käytännössä mahdotonta ilman 1990-luvulta lähtien saatavilla ollutta laskentatehokkuutta. W12:n kampiakseli yksinään on koneistajankin painajainen — sellainen osa, joka on järkevä vain, kun tietokone on varmistanut jokaisen toleranssin.

Mikä todella ratkaisee käytännön moottorinsuunnittelussa

Jos tästä kaikesta on yksi johtopäätös, se on, että teoreettinen tasapaino on harvoin ratkaiseva tekijä insinöörin valitessa moottorin kokoonpanoa. Todelliset prioriteetit ovat:

• Sijoittelu — mahtuuko se moottoritilaan?
• Paino ja tehotiheys — mikä on paras suhde kyseiseen sovellukseen?
• Tuotantokustannukset — voiko se jakaa komponentit koko malliperheessä?
• Modulaarisuus — yhä useammin valmistajat rakentavat kokonaisia moottoriperhejä yhteisen mäntä- ja sylinteriporausarkkitehtuurin pohjalta, kolmisylinterisistä talousmallien moottoreista aina kahdentoista sylinterin lippulaivamoottoreihin

Mercedes-Benzin nykyinen moottorivalikoima on mallikirjaesimerkki modulaarisesta lähestymistavasta: yhteinen arkkitehtuuri on kaikkien moottoreiden perustana huomattavasti eri tehotasoista ja sylinterimääristä riippumatta.

Tärinän osalta on muistamisen arvoista, että teoreettinen ja todellinen tasapaino ovat kaksi aivan eri asiaa. Jopa täydellisesti tasapainotettu suora kuusisylinterinen tärisee, jos sen kampiakselikokoonpanoa ei ole asianmukaisesti tasapainotettu tai jos sen männät ja kiertokangit vaihtelevat merkittävästi painoltaan. Käytännön tuotantotoleranssit ja komponenttien muodonmuutokset kuormituksen alaisena tarkoittavat, että mikään moottori ei käytännössä ole yhtä sileäkäyntiinen kuin yhtälöt antavat ymmärtää. Siksi moottorikiinnikkeiden suunnittelu — tapa, jolla voimalaite on eristetty muusta autosta — on yhtä tärkeää kuin itse kokoonpano. Joskus jopa tärkeämpää.

Tämä on käännös. Voit lukea alkuperäisen täältä: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html