Paliwanag sa Konfigurasyon ng Engine: Tuwid, Hugis-V, at Patag na mga Engine

Sa pagsikat ng ika-20 siglo, nang ang inhinyeriya ng sasakyan ay mabilis na umuunlad, ang isang 10-litro na engine ay maaaring maging isang single-cylinder na yunit o, halimbawa, isang straight-eight. Noon, walang nagtataka sa isang 23-litro na straight-six o isang pitong-silindro na radial na engine ng eroplano na inilipat sa isang kotse.

Habang lumalaki ang mass production at tumitindi ang presyon sa gastos, nagsimulang maayos ang lahat. Ang single-cylinder na engine ay naging reliquia ng nakaraan. Ngayon, ang average na displacement ng silindro sa isang karaniwang engine ng kotse ay nasa pagitan ng 300 at 600 cubic centimeter, na ang tiyak na output ay mula sa humigit-kumulang 35 hp/l sa isang naturally aspirated na diesel hanggang 100 hp/l sa isang high-performance na gasolinang engine. Ito ang mga pinakamainam na punto para sa mass-market na produksyon — ang lumayo sa mga ito ay hindi lamang matipid.

Kaya ano ang hitsura ng modernong landscape ng engine? Sa pangkalahatan:

• Ang isang 100 hp na engine ay karaniwang may apat na silindro
• Ang isang 200 hp na engine ay karaniwang gumagamit ng apat, lima, o anim na silindro
• Ang isang 300 hp na engine ay karaniwang gumagamit ng walong silindro

Ngunit paano talaga maaaring ayusin ang mga silindrong iyon? Anong mga opsyon sa layout ang mayroon ang mga inhinyero kapag nagdidisenyo ng multi-cylinder na engine? Pag-aralan natin ito.

Mga Tuwid na Engine: Simple ngunit Lalong Hindi Praktikal

Ang pangunahing tanong sa isip ng sinumang nagdidisenyo ng engine ay kung paano pasimplehin ang disenyo — pinapanatiling mababa ang mga gastos sa produksyon at simple ang pagpapanatili. Sa puntong iyon, ang inline (tuwid) na engine ay nananaig nang walang alinlangan. Ang mga silindro ay nakahanay sa isang hilera, at ang pagpalaki ng kapasidad ay kasing dali ng pagdaragdag ng mas marami pa.

Narito kung paano nahahati ang mga variant ng inline engine sa praktika:

• Ang dalawa- at tatlong-silindro na mga engine ay medyo bihira sa mga kotse, bagaman ang dalawang-silindro na format ay muling bumabalik salamat sa advanced na fuel injection at turbocharging — ang 85 hp na turbocharged na dalawang-silindro sa Fiat 500 ay isang pangunahing halimbawa.
• Ang straight-four ay ang punong-manggagawa ng mundo ng passenger car, na sumasaklaw sa mga displacement mula 1.0 hanggang 2.4 litro.
• Ang mga straight-five na engine ay isang mas bagong pag-unlad. Pinanguna ng Mercedes-Benz ang diesel na limang-silindro noong 1974 (ang 300D sa W123 platform), sinundan ng dalawang-litro na gasolinang limang-silindro ng Audi dalawang taon pagkatapos, pagkatapos ay sumali sina Volvo at Fiat noong huling bahagi ng 1980s.
• Ang mga straight-six na engine, na matagal nang paboritong Europeo dahil sa kanilang kahinis-hinisan, ay lalong nagiging bihira. Ang kanilang mas mahabang kapatid, ang straight-eight, ay epektibong inabandona noong 1930s.

Ang dahilan ng trend na ito ay malinaw: habang nagdadagdag ng mas maraming silindro, lalong humahaba ang engine — at lumilikha ito ng seryosong mga problema sa packaging. Ang paglalagay ng straight-six nang pahalang sa isang engine bay ng front-wheel-drive, halimbawa, ay nagawa lamang sa iilang kaso: ang Austin Maxi 2200 (na nangangailangan ng gearbox na itago sa ilalim ng engine) at ang Volvo S80 na may ultra-compact na gearbox.

Mga Hugis-V at Patag na Engine: Kompakto ngunit Kumplikado

Kaya paano mo pagpapaikliin ang isang inline na engine? Ang eleganteng solusyon: hatiin ito sa kalahati, ilagay ang dalawang kalahati nang magkatabi, at palakasin ang isang solong crankshaft gamit ang pareho. Iyon ang kakanyahan ng V engine.

Ang pinakakaraniwang mga konfigurasyon ng V-engine ay gumagamit ng included angle na 60° o 90° sa pagitan ng mga bangko ng silindro. Itulak ang anggulo na iyon hanggang 180° — ang mga silindro ay nakaturo nang direkta palayo sa isa’t isa — at makakakuha ka ng isang patag na engine, na kilala rin bilang boxer engine (kaya ang mga designasyon na B2, B4, B6).

Ang mga kompromiso kumpara sa isang tuwid na engine ay makabuluhan:

• Dalawang cylinder head — bawat isa ay may sariling gasket at manifold
• Mas maraming camshaft at isang mas kumplikadong valve-drive na kaayusan
• Mas malaking lapad (lalo na para sa mga patag na engine), na nagtatakda kung saan sila maaaring i-install
• Mas mataas na gastos sa pagmamanupaktura at mas kumplikadong serbisyo

Dahil sa mga disadvantage na ito, ang mga patag na engine ay ginagamit lamang ng ilang bilang ng mga tagagawa — si Porsche at Subaru ang pinakakilala ngayon.

Paano naman ang paggawa ng V engine na mas kompakto pa sa pamamagitan ng pagpapaliit ng included angle sa ibaba ng 60°? Nagawa na ito — ang Lancia Fulvia noong 1970s ay nagpatakbo ng V4 na may 23° lamang na anggulo. Ngunit may kakulangan: habang lumiliit ang anggulo, mas mahirap i-balance ang engine. Na nagdadala sa atin sa isa sa mga pinaka-kritikal na hamon sa disenyo ng engine.

Vibrasyon ng Engine: Mga Puwersa, Torque, at Kung Paano Ito Pigilin

Walang piston internal combustion engine na ganap na walang vibrasyon — likas ito sa disenyo. Ngunit ang pamamahala ng vibrasyon ay kritikal, hindi lamang para sa kaginhawaan ng pasahero. Ang matinding hindi balanseng vibrasyon ay maaaring pisikal na sirain ang mga bahagi ng engine, na may lahat ng mapaminsalang kahihinatnan na dulot ng mga bahaging lumipad nang malaya sa mataas na bilis.

Saan nanggagaling ang vibrasyon ng engine? Mayroong tatlong pangunahing pinagkukunan:

• Hindi pantay na agwat ng pagsusunog — sa ilang mga konfigurasyon ng engine, ang mga power stroke ay hindi sumusunog sa perpektosong pantay na agwat, na lumilikha ng torque ripple. Ang isang mas mabigat na flywheel ay makakatulong na mapahusay ito.
• Mga puwersa ng inertia ng piston — habang nagaakselerasyon ang mga piston pataas at nagbubumagal sa tuktok ng kanilang stroke (at kabaligtaran sa ibaba), naglilikha sila ng mga puwersa ng inertia na katulad ng nararamdaman mo kapag nagpigil o nagaakselerasyon ang isang kotse.
• Geometry ng connecting rod — ang connecting rod ay hindi naglalakbay sa isang tuwid na linya, at ang paggalaw ng piston ay hindi isang perpektong sinusoid, na nagpapakilala ng mga karagdagang bahagi ng puwersa sa mga multiple ng bilis ng crankshaft.

Ang mga higher-order na puwersa ng inertia na ito ay karaniwang napapabayaan — maliban sa mga second-order na puwersa, na kumikilos sa dalawang beses na frequency ng crankshaft at dapat palaging isaalang-alang. Kapag ang mga puwersa ng inertia sa mga katabing silindro ay kumikilos sa magkasalungat na direksyon sa isang nakatakdang distansya mula sa isa’t isa, naglilikha rin sila ng mga torque couple, na nagdaragdag ng isa pang antas ng kumplikasyon.

Ang mga inhinyero ay may dalawang pangunahing kagamitan upang labanan ang mga puwersang ito:

• Pumili ng likas na balanseng konfigurasyon — ayusin ang mga silindro at mga throws ng crankshaft upang ang mga puwersa at torque ay natural na mag-cancel sa isa’t isa.
• Magdagdag ng mga balance shaft — mga pangalawang shaft na may mga counterweight na umiikot sa kabaligtarang direksyon ng crankshaft, na naglilikha ng pantay at kabaligtarang mga puwersa. Ang mga ito ay nagdaragdag ng gastos at mekanikal na kumplikasyon ngunit maaaring ganap na i-neutralize ang mga problemadong mode ng vibrasyon.

Sa lahat ng karaniwang mga layout ng engine, dalawa lamang ang teoretically na perpektong balanse: ang straight-six at ang flat-six. Ito mismo ang dahilan kung bakit mahigpit na pinanghahawakan ng BMW at Porsche ang mga konfigurasyon na ito — at kung bakit nag-aatubili ang iba na isuko ang mga ito sa kabila ng mga hamon sa packaging.

Balanse ng Engine ayon sa Konfigurasyon: Isang Praktikal na Gabay

Tingnan natin kung paano nangangailangan ang bawat pangunahing konfigurasyon ng engine sa tunay na mundo pagdating sa vibrasyon at balanse.

Ang mga dalawang-silindro na tuwid na engine (mga crank sa parehong direksyon) ay kumikilos nang katulad sa isang single-cylinder sa mga tuntunin ng balanse — ang magkaparehong piston ay tumataas at bumababa nang sabay. Ang Rusong Oka ay gumamit ng dalawang counterrotating balance shaft upang harapin ang mga first-order na puwersa ng inertia, ngunit ang mga second-order na puwersa ay naiwang hindi nakontrol. Ang pagdaragdag ng dalawa pang balance shaft ay magiging ganap na hindi praktikal sa gayong maliit at abot-kayang kotse. Maraming dalawang-silindro na engine — tulad ng orihinal na 1957 Fiat 500 at ang Indiyano na Tata Nano — ay simpleng nagpatakbo nang walang anumang balance shaft, umaasa sa mga compliant na engine mount upang sumipsip ng vibrasyon. Mura, simple, at katanggap-tanggap para sa mga aplikasyong may limitadong badyet.

Ang mga dalawang-silindro na engine na may mga crank sa 180° (mga piston na gumagalaw nang antiphase) ay nag-aalok ng mas mahusay na pangunahing balanse ngunit makakamit lamang ng pantay na agwat ng pagsusunog sa two-stroke na anyo — tulad ng ginagamit sa pre-war na mga DKW at ng kanilang mga inapo, ang Silangang Alemanyong Trabant.

Ang mga V-twin na engine ay nakaligtas ngayon halos eksklusibo sa mga motorsiklo — si Harley-Davidson at ang mga Hapong imitador nito ang mga halata na halimbawa. Ang NAMI-1 ay halos ang tanging kotse na gumamit ng layout na ito. Ang mga counterweight sa crankshaft ay maaaring magdala nito sa malapit sa buong balanse, ngunit ang pantay na mga agwat ng pagsusunog ay nananatiling hindi maaabot.

Ang mga tatlong-silindro na engine ay mas hindi balanse kaysa sa isang straight-four. Ang mga tagagawa tulad ng Subaru at Daihatsu ay naglalagay ng mga balance shaft bilang pamantayan; ang desisyon ng Opel na laktawan ang isa sa Ecotec na tatlong-silindro para sa pangalawang henerasyong Corsa ay nakatipid ng gastos ngunit nagbigay sa kotse ng magaspang na reputasyon sa Alemanyong automotive press pagkatapos ng paglulunsad nito noong 1996 — inilarawan ito bilang “ganap na imposibleng magmaneho sa paligid ng lungsod sa mga variable na mode.”

Ang mga straight-four na engine — ang pinakakaraniwang layout sa mundo — ay may libreng second-order na puwersa ng inertia na maaari lamang ma-neutralize ng isang balance shaft na tumatakbo sa dalawang beses na bilis ng crankshaft. Upang i-cancel ang resultang torque, kailangan ng isang pangalawang counter-rotating shaft. Mahal, oo — ngunit ang Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat, at mga tatak ng Volkswagen Group ay lahat ay gumamit ng setup na ito kapag kinailangan ng refinement.

Ang mga flat-four na engine ay medyo mas mahusay kaysa sa kanilang mga inline na katapat — isang second-order na torque couple lamang ang natitira, na may tendensiyang i-yaw ang engine sa paligid ng patayong aks nito. Gayunpaman, ang parehong air-cooled na Beetle engine at ang mga boxer unit ng Subaru ay nagtiyaga nang walang mga balance shaft sa loob ng maraming dekada.

Ang mga straight-five na engine ay may mga nabalansehan na pangunahing puwersa ng inertia ngunit nagdurusa mula sa isang gumugulong na bending torque na patuloy na naglalakbay sa block — na nangangailangan ng napaka-matibay na istraktura. Tinugunan ng Mercedes-Benz, Audi, at Volvo ito sa pamamagitan ng mga pinihusay na engine mount at mga counterweight (tulad ng supercharged na 2.5 TFSI sa Audi TT RS), habang ang mga inhinyero ng Fiat ay higit pang nagtayo at gumamit ng buong balance shaft.

Isang kawili-wiling tala: halos lahat ng five-cylinder na engine ay talaga ay four-cylinder na engine na may isang karagdagang silindro na nakakabit. Ang modular na diskarteng ito ay nagpapahintulot ng mga nakabahaging piston, connecting rod, at mga bahagi ng valvetrain — ang block, head, at crankshaft lamang (na may mga throws sa 72° na agwat) ang kailangang magbago.

Ang mga V6 na engine na pumalit sa mga straight-six ay nagbabahagi ng parehong mga katangian ng balanse bilang isang tatlong-silindro — na sinasabi, hindi perpekto. Ang unang Mercedes-Benz V6 (ang M112, na may tatlong valve bawat silindro) ay tinugunan ito ng isang balance shaft na nakalagay sa lambak sa pagitan ng mga bangko. Inilagay ng PSA Group ang tatlong-litro na anim-na-silindro sa isang cylinder head. Pinili ng ibang mga tagagawa ang maingat na pag-offset ng crank pin — tulad ng nakikita sa Audi V6 — upang mabawasan ang vibrasyon nang walang karagdagang kumplikasyon. Ang mga V6 na engine na may 90° na included angle ay nagdaragdag ng isa pang sakit ng ulo: likas na hindi pantay na mga agwat ng pagsusunog na maaari lamang bahagyang mapahusay ng isang weighted flywheel.

Ang mga V8 na engine na may 90° na bank angle at mga throws ng crankshaft sa dalawang mutually perpendicular na eroplano ay napakahusay na balanse. Ang mga pantay na agwat ng pagsusunog ay makakamit, at dalawang residual na torque couple lamang ang natitira — madaling matutukoy ng mga counterweight sa mga end journal ng crankshaft. Ito ay isang malaking bahagi ng dahilan kung bakit masigasig na tinanggap ng mga Amerikanong inhinyero ang V8: hindi lang nila pinahihintulutan ang vibrasyon.

Ang mga V4 na engine ay bihira at ngayon ay halos wala na sa mga kotse. Ang Europeo na Ford V4 (ginagamit sa Taunus, Capri, at Saab 96) at ang kakaibang V4 ng Zaporozhets ay parehong nangangailangan ng balance shaft para sa mga first-order na torque couple. Ang compactness at gastos ang mga pangunahing salik — ang balanse ay pangalawa.

Ang mga V10 na engine ay nagbabahagi ng parehong mga katangian ng balanse bilang isang straight-five. Hindi ito pinigilan ang mga tagadisenyo ng mga Formula 1 engine, ng Dodge Viper, o ng Dodge RAM mula sa paggamit ng mga ito — kapag kailangan mo ng kapangyarihan, pinamamahalaan mo ang vibrasyon.

Tulad ng para sa mas exotic na mga layout: ang flat-eight (tulad ng ginagamit sa mga Porsche 917 racing car) ay epektibong dalawang flat-four sa isang karaniwang crankshaft, habang ang mga V12 at flat-12 na engine ay nagbabawas sa dalawang straight-six — na nagpapaliwanag ng kanilang pambihirang kahinis-hinisan.

VR6, VR5, at mga W-Engine: Masterpiyo ng Packaging ng Volkswagen

Binanggit natin ang mga narrow-angle V engine tulad ng Lancia Fulvia kanina. Sa loob ng maraming dekada, iniiwasan ang mga ito — mas mahirap i-balance kaysa sa mga 60° o 90° na layout, na may mga pakinabang sa packaging na hindi tila sulit sa abala. Pagkatapos ay nagbago ang mga priyoridad.

Dalawang pag-unlad ang nagbago ng laro:

• Ang mga hydraulic engine mount ay naging malawakang available, na dramatikong pinipigilan ang paglipat ng vibrasyon anuman ang teoretical na balanse ng engine.
• Ang espasyo sa ilalim ng kapote ay lalong nagiging bihira, na ginagawang premium na katangian ang compactness. Sino ang mag-aakala na isang simple na hatchback ay nagtago ng isang 2.8-litro na anim-na-silindro na engine? Ginawa ito ng Volkswagen.

Ang Volkswagen VR6 — ang “VR” na nakatayo para sa V-Reihen (V-inline) — ay higit pang isinulong ang narrow-angle na konsepto kaysa sa Lancia, gamit lamang ang isang 15° na anggulo sa pagitan ng mga bangko. Ang resulta ay napaka-kompakto na epektibong gumaganap bilang isang offset inline na engine, at kahanga-hanga, gumagamit ito ng isang solong cylinder head para sa magkabilang bangko. Isang 2.8-litro na anim-na-silindro na engine na akma kung saan hindi magkakasya ang isang karaniwang V6 — debuted sa ikatlong henerasyong Volkswagen Golf.

Mula doon, ang mga inhinyero ng Volkswagen ay nagpatuloy sa konsepto:

• Ang VR5 ay dumating bilang VR6 na may isang silindro na inalis.
• Ang W8 ay pinagsama ang dalawang pinaikling VR unit (apat na silindro bawat isa) sa isang solong crankshaft — na inilagay sa flagship Passat sedan.
• Ang W12 ay nag-debut noong 1998 sa W12 Roadster concept: dalawang VR6 engine na nagkasal sa isang 72° na anggulo sa isang crankshaft.
• Ang W16 — na may apat na turbocharger — ay nagpapaandar ng Bugatti Veyron sa 431 km/h, na ginagawa itong pinaka-extreme na production application ng arkitekturang ito.

Bakit hindi umiiral ang mga layout na ito noon? Ginawa itong posible ng modernong computer-aided design. Ang pag-optimize ng included angle, mga posisyon ng crank pin, firing order, at mga katangian ng balanse sa napakaraming kumplikadong geometry ay halos imposible nang walang computational power na available mula sa 1990s pataas. Ang crankshaft ng isang W12 lamang ay isang bangungot ng isang machinist — ang uri ng bahagi na may kahulugan lamang kapag napatunayan ng isang computer ang bawat tolerance.

Ano ang Tunay na Mahalaga sa Tunay na Mundo ng Disenyo ng Engine

Kung mayroong isang aral mula sa lahat ng ito, ito ay ang teoretical na balanse ay bihirang magiging pangunahing salik kapag pumili ang isang inhinyero ng layout ng engine. Ang tunay na mga priyoridad ay:

• Packaging — akma ba ito sa engine bay?
• Timbang at power density — ano ang pinakamainam na ratio para sa aplikasyon?
• Gastos sa produksyon — maaari bang magbahagi ng mga bahagi sa isang hanay ng modelo?
• Modularity — lalong pinapalaki ng mga tagagawa ang mga buong pamilya ng engine mula sa isang karaniwang piston at bore na arkitektura, mula sa mga tatlong-silindro na economy unit hanggang sa mga labindalawang-silindro na flagship

Ang kasalukuyang lineup ng engine ng Mercedes-Benz ay isang textbook na halimbawa ng modular na diskarte: isang nakabahaging arkitektura ang sumusuporta sa mga engine sa iba’t ibang antas ng kapangyarihan at bilang ng silindro.

At tungkol sa vibrasyon — sulit na alalahanin na ang teoretical at aktwal na balanse ay dalawang magkaibang bagay. Kahit ang isang perpektong balanseng straight-six ay manginig kung ang assembly ng crankshaft nito ay hindi maayos na nabalanse o kung ang mga piston at connecting rod nito ay kapansin-pansing nagkakaiba sa timbang. Ang mga toleransya sa produksyon sa tunay na mundo at depormasyon ng bahagi sa ilalim ng karga ay nangangahulugang walang engine ang kailanman ay maayos sa praktika tulad ng iminumungkahi ng mga equation. Kaya naman ang disenyo ng engine mount — ang paraan ng paghihiwalay ng powerplant mula sa natitirang bahagi ng kotse — ay kasinghalaga ng layout mismo. Minsan ay mas mahalaga pa.

Ito ay isang salin. Maaari mong basahin ang orihinal dito: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html