תצורות מנוע: מנועים ישרים, בצורת V ושטוחים

עם שחר המאה ה-20, כאשר הנדסת הרכב התקדמה במהירות מסחררת, מנוע בנפח 10 ליטר יכול היה להיות יחידה חד-גלילית, או, נאמר, שמונה גלילים ישרים. בימים ההם, איש לא הניד עפעף לנוכח מנוע שישה גלילים ישרים בנפח 23 ליטר, או מנוע רדיאלי תעופתי בן שבעה גלילים המושתל ברכב.

עם הרחבת הייצור ההמוני ועלייתם של לחצי העלויות, הכל נפל למקומו. מנוע החד-גלילי הפך למוצג מוזיאוני. כיום, נפח הגליל הממוצע במנוע רכב קונבנציונלי נע בין 300 ל-600 סנטימטר מעוקב, עם תפוקה סגולית שנעה בין כ-35 כ”ס/ליטר במנוע דיזל שאיבה טבעית לכ-100 כ”ס/ליטר במנוע בנזין בעל ביצועים גבוהים. אלה נקודות המתיקות לייצור המוני — חריגה מהן פשוט אינה כלכלית.

אז כיצד נראה נוף המנועים המודרני? באופן כללי:

• מנוע 100 כ”ס כולל בדרך כלל ארבעה גלילים
• מנוע 200 כ”ס מופעל בדרך כלל עם ארבעה, חמישה או שישה גלילים
• מנוע 300 כ”ס משתמש בדרך כלל בשמונה גלילים

אבל כיצד בעצם ניתן לסדר את הגלילים הללו? אילו אפשרויות פריסה עומדות בפני מהנדסים בעת תכנון מנוע רב-גלילי? בואו נפרט.

מנועים ישרים: פשוטים אך פחות ופחות מעשיים

השאלה מספר אחת בראשו של כל מעצב מנועים היא כיצד לפשט את העיצוב — לשמור על עלויות ייצור נמוכות ותחזוקה נוחה. בהיבט זה, המנוע הישיר (שורה ישרה) מנצח ללא עוררין. הגלילים מסודרים בשורה אחת, והגדלת הנפח פשוטה כמו הוספת גלילים נוספים.

כך מתפרסות גרסאות מנוע השורה בפועל:

• מנועי שניים ושלושה גלילים נדירים יחסית ברכב, אם כי פורמט הדו-גלילי חוזר לעצמו הודות להזרקת דלק מתקדמת ולטורבו — כשהמנוע הטורבו הדו-גלילי בן 85 כ”ס בפיאט 500 הוא דוגמה מובהקת.
• ארבעת הגלילים הישרים הוא סוס העבודה של עולם רכב הנוסעים, המכסה נפחים של 1.0 עד 2.4 ליטר.
• מנועי חמישה גלילים ישרים הם התפתחות עדכנית יותר. מרצדס-בנץ חלצה את מנוע הדיזל חמש-הגלילי בשנת 1974 (ה-300D על פלטפורמת W123), ואחריה אאודי עם מנוע בנזין דו-ליטרי חמש-גלילים שנתיים לאחר מכן, ואז הצטרפו וולוו ופיאט בשלהי שנות ה-80.
• מנועי שישה גלילים ישרים, שנחשבו זמן רב למועדפים האירופאיים בזכות חלקותם, הפכו נדירים יותר ויותר. אחיהם הארוך יותר, שמונת הגלילים הישרים, ננטש ביעילות עוד בשנות ה-30 של המאה ה-20.

הסיבה למגמה זו ברורה: ככל שמוסיפים גלילים, כך מתארך המנוע — וזה יוצר בעיות אריזה רציניות. הכנסת מנוע שישה גלילים ישרים לרוחב בתא מנוע בהנעה קדמית, למשל, הושגה רק בקומץ מקרים: אוסטין מקסי 2200 (שדרש שתיבת ההילוכים תוכנס מתחת למנוע) וה-וולוו S80 עם תיבת הילוכים קומפקטית במיוחד.

מנועים בצורת V ושטוחים: קומפקטיים אך מורכבים

אז כיצד מקצרים מנוע ישיר? הפתרון האלגנטי: מפצלים אותו לשניים, מניחים את שני החצאים זה לצד זה, ומניעים גל ארכובה יחיד משניהם. זהו המהות של מנוע ה-V.

תצורות מנוע ה-V הנפוצות ביותר משתמשות בזווית 60° או 90° בין שורות הגלילים. כאשר מרחיבים את הזווית עד 180° — גלילים הפונים ישירות אחד מהשני — מקבלים מנוע שטוח, המכונה גם מנוע בוקסר (מכאן הכינויים B2, B4, B6).

ההחלפות בהשוואה למנוע ישיר משמעותיות:

• שני ראשי גלילים — לכל אחד יש אטם ומניפולדים משלו
• גלי זנב רבים יותר וסידור הנעת שסתומים מורכב יותר
• רוחב גדול יותר (במיוחד במנועים שטוחים), המגביל את מיקומי ההתקנה
• עלות ייצור גבוהה יותר ושירות מורכב יותר

בשל חסרונות אלה, מנועים שטוחים משמשים רק מספר קטן של יצרנים — כשפורשה וסובארו הם הבולטים שבהם כיום.

מה לגבי הקטנת הזווית מתחת ל-60° להפיכת מנוע ה-V לקומפקטי עוד יותר? זה נעשה — לנצ’יה פולביה של שנות ה-70 הריצה V4 עם זווית של 23° בלבד. אך יש תפיסה: ככל שהזווית צרה יותר, כך קשה יותר לאזן את המנוע. מה שמוביל אותנו לאחד האתגרים הקריטיים ביותר בתכנון מנועים.

רעידות מנוע: כוחות, מומנטים וכיצד לרסן אותם

אין מנוע בעירה פנימית בוכנתי שהוא נקי לחלוטין מרעידות — זה טבוע בעיצוב. אך ניהול הרעידות הוא קריטי, ולא רק לנוחות הנוסעים. רעידות חוסר-איזון חמורות עלולות להרוס פיזית רכיבי מנוע, עם כל התוצאות הקטסטרופליות הנלוות לחלקים הנישלחים במהירות גבוהה.

מהיכן מגיעות רעידות המנוע? ישנם שלושה מקורות עיקריים:

• מרווחי הצתה לא אחידים — בחלק מתצורות המנוע, מהלכי הכוח אינם יורים במרווחים שווים בדיוק, מה שיוצר גלי מומנט. גלגל תנופה כבד יותר יכול לסייע להחליק זאת.
• כוחות אינרציה של הבוכנה — כאשר הבוכנות מאיצות כלפי מעלה ומאטות בראש מהלכן (וכן הלאה בתחתית), הן מייצרות כוחות אינרציה דומים לאלה שמרגישים כאשר רכב בולם או מאיץ.
• גיאומטריית ביל הארכובה — ביל הארכובה אינו נע בקו ישר, ותנועת הבוכנה אינה סינוסואיד מושלמת, מה שמכניס רכיבי כוח נוספים בכפולות של מהירות גל הארכובה.

כוחות אינרציה ממעלה גבוהה אלה זניחים בדרך כלל — למעט כוחות ממעלה שנייה, הפועלים בכפול מתדר גל הארכובה ויש לקחתם תמיד בחשבון. כאשר כוחות אינרציה בגלילים סמוכים פועלים בכיוונים מנוגדים במרחק קבוע זה מזה, הם גם מייצרים זוגות מומנט, מה שמוסיף שכבת מורכבות נוספת.

למהנדסים שני כלים עיקריים להתמודד עם כוחות אלה:

• בחירת תצורה מאוזנת מטבעה — סידור הגלילים וזרועות גל הארכובה כך שכוחות ומומנטים יבטלו זה את זה באופן טבעי.
• הוספת גלי איזון — גלים משניים עם משקולות נגד המסתובבים בכיוון הפוך לגל הארכובה, המייצרים כוחות שווים ומנוגדים. אלה מוסיפים עלות ומורכבות מכנית, אך יכולים לנטרל לחלוטין מצבי רעידה בעייתיים.

מבין כל פריסות המנוע הנפוצות, רק שתיים מאוזנות באופן תיאורטי מושלם: שישה גלילים ישרים ושישה גלילים שטוחים. זו הסיבה המדויקת לכך שב-BMW ופורשה דבקים בתצורות אלה בעקשנות — ולמה אחרים נרתעו מנטישתן למרות אתגרי האריזה.

איזון מנוע לפי תצורה: מדריך מעשי

בואו נבחן כיצד כל תצורת מנוע עיקרית מסתדרת בעולם האמיתי מבחינת רעידות ואיזון.

מנועי שני גלילים ישרים (ארכובות באותו כיוון) מתנהגים באופן דומה לחד-גלילי מבחינת האיזון — שתי הבוכנות עולות ויורדות בו-זמנית. האוקה הרוסית השתמשה בשני גלי איזון מסתובבים בכיוון הפוך לטיפול בכוחות אינרציה ממעלה ראשונה, אך כוחות ממעלה שנייה נותרו ללא טיפול. הוספת שני גלי איזון נוספים הייתה בלתי מעשית לחלוטין ברכב קטן וזול כזה. מנועי שני גלילים רבים — כגון פיאט 500 המקורי משנת 1957 וה-Tata Nano ההודי — פשוט פעלו ללא גלי איזון, בהסתמכות על תושבות מנוע גמישות לספיגת הרעידות. פתרון זול, פשוט ומקובל ליישומי תקציב.

מנועי שני גלילים עם ארכובות ב-180° (בוכנות נעות בפאזה הפוכה) מציעים איזון ראשוני טוב יותר, אך יכולים להשיג מרווחי הצתה אחידים רק בצורת שני-פעימות — כפי שנעשה ב-DKW טרום-מלחמתיים וצאצאיהם, הטרבנט ממזרח גרמניה.

מנועי V-twin שורדים כיום כמעט אך ורק על אופנועים — הארלי-דייווידסון ומחקיה היפניים הם הדוגמאות הברורות. ה-NAMI-1 עומד כמעט כרכב היחיד שאי פעם השתמש בפריסה זו. משקולות נגד על גל הארכובה יכולים להביאו קרוב לאיזון מלא, אך מרווחי הצתה אחידים נותרים בלתי מושגים.

מנועי שלושה גלילים מאוזנים פחות ממנוע ארבעת הגלילים הישרים. יצרנים כמו סובארו ו-Daihatsu מתקינים גלי איזון כברירת מחדל; ההחלטה של אופל לוותר על גל איזון במנוע ה-Ecotec התלת-גלילי עבור הקורסה דור שני חסכה בעלויות, אך הקנתה לרכב מוניטין גרוע בעיתונות הרכב הגרמנית לאחר השקתו ב-1996 — הוא תואר כ”בלתי אפשרי לחלוטין לנהיגה בעיר במצבים משתנים.”

מנועי ארבעה גלילים ישרים — הפריסה הנפוצה ביותר בעולם — כוללים כוח אינרציה חופשי ממעלה שנייה שניתן לנטרל רק על ידי גל איזון הפועל בפי שניים ממהירות גל הארכובה. לביטול המומנט הנובע, נדרש גל שני המסתובב בכיוון הפוך. יקר, כן — אך מיצובישי, סאאב, פורד, פיאט וחברות קבוצת פולקסווגן כולן השתמשו בהגדרה זו כאשר הדיוק דרש זאת.

מנועי ארבעה גלילים שטוחים מסתדרים מעט טוב יותר מעמיתיהם הישרים — נותר רק זוג מומנט ממעלה שנייה, הנוטה להפנות את המנוע סביב ציר אנכי. אף על פי כן, הן מנוע החיפושית קירור-האוויר והן יחידות הבוקסר של סובארו הצליחו ללא גלי איזון במשך עשרות שנים.

מנועי חמישה גלילים ישרים כוללים כוחות אינרציה ראשוניים מפוצים, אך סובלים ממומנט כיפוף מתגלגל העובר כל העת דרך הבלוק — הדורש מבנה קשיח במיוחד. מרצדס-בנץ, אאודי ווולוו טיפלו בכך דרך תושבות מנוע מעודנות ומשקולות נגד (כמו ה-2.5 TFSI הסופרצ’רג’ד באאודי TT RS), בעוד מהנדסי פיאט הרחיקו לכת עוד יותר והשתמשו בגל איזון מלא.

הערת שוליים מעניינת: כמעט כל מנועי חמשת הגלילים הם במהותם מנועי ארבעה גלילים עם גליל נוסף מחובר. גישה מודולרית זו מאפשרת שיתוף בוכנות, ביל ארכובה ורכיבי מנגנון שסתומים — רק הבלוק, ראש הגלילים וגל הארכובה (עם ארכובות במרווחים של 72°) צריכים להשתנות.

מנועי V6 שהחליפו את שישת הגלילים הישרים חולקים את אותן מאפייני איזון כמו תלת-גלילי — כלומר, לא אידיאליים. ה-V6 הראשון של מרצדס-בנץ (ה-M112, עם שלושה שסתומים לגליל) טיפל בכך בעזרת גל איזון המותקן בעמק שבין שורות הגלילים. מנוע שישת הגלילים התלת-ליטרי של קבוצת PSA הציב אחד בראש הגלילים. יצרנים אחרים בחרו בהזזה זהירה של סיכות הארכובה — כפי שנראה ב-V6 של אאודי — כדי למזער רעידות ללא מורכבות נוספת. מנועי V6 עם זווית 90° מוסיפים כאב ראש נוסף: מרווחי הצתה לא אחידים מובנים שגלגל תנופה ממושקל יכול להחליק רק באופן חלקי.

מנועי V8 עם זווית 90° בין שורות הגלילים וארכובות בשני מישורים ניצבים זה לזה מאוזנים היטב. מרווחי הצתה אחידים ניתנים להשגה, ונותרים רק שני זוגות מומנט שיוריים — שניתן לטפל בהם בקלות בעזרת משקולות נגד על יומני הקצה של גל הארכובה. זהו חלק גדול מהסיבה לכך שהמהנדסים האמריקאים אימצו את ה-V8 בהתלהבות: הם פשוט אינם סובלים רעידות.

מנועי V4 היו נדירים וכיום כמעט נכחדו ברכב. ה-V4 האירופאי של פורד (שנוצל ב-Taunus, Capri וסאאב 96) וה-V4 המוזר של זפורוז’ץ שניהם דרשו גל איזון לזוגות מומנט ממעלה ראשונה. קומפקטיות ועלות היו הגורמים המניעים — האיזון היה שיקול משני.

מנועי V10 חולקים את אותן מאפייני איזון כמו חמישה גלילים ישרים. זה לא עצר את מעצבי מנועי פורמולה 1, דודג’ וויפר, או דודג’ RAM מלהשתמש בהם — כשצריכים את העוצמה, מתמודדים עם הרעידות.

לגבי הפריסות האקזוטיות יותר: שמונת הגלילים השטוחים (כפי שנוצל בפורשה 917 למירוצים) הוא ביעילות שני מנועי ארבעה גלילים שטוחים על גל ארכובה משותף, בעוד מנועי V12 ושנים-עשר גלילים שטוחים מצטמצמים לשני מנועי שישה גלילים ישרים — מה שמסביר את חלקותם יוצאת הדופן.

VR6, VR5 ומנועי W: פריצת הדרך של פולקסווגן באריזה

נגענו קודם במנועי V בזווית צרה כמו לנצ’יה פולביה. במשך עשרות שנים הם נמנעו — קשים יותר לאיזון מפריסות 60° או 90°, עם יתרונות אריזה שלא נראו שווים את הטרחה. ואז סדרי העדיפויות השתנו.

שתי התפתחויות שינו את המשחק:

• תושבות מנוע הידראוליות הפכו לזמינות באופן נרחב, ודיכאו דרמטית את העברת הרעידות ללא קשר לאיזון התיאורטי של המנוע.
• מרחב תת-המכסה הפך נדיר יותר ויותר, מה שהפך את הקומפקטיות לתכונה יקרת ערך. מי היה מדמיין הצבת מנוע שישה גלילים בנפח 2.8 ליטר בהאצ’בק צנוע? פולקסווגן עשתה זאת.

ה-פולקסווגן VR6 — כאשר “VR” מייצג V-Reihen (V-שורה) — מרחיק לכת יותר מלנצ’יה עם זווית של 15° בלבד בין שורות הגלילים. התוצאה כה קומפקטית עד שהיא פועלת בפועל כמנוע ישיר מוסט, ובאופן מפתיע, הוא משתמש בראש גלילים יחיד לשתי שורות הגלילים. מנוע שישה גלילים בנפח 2.8 ליטר המתאים היכן שV6 קונבנציונלי לא היה מתאים — הושק בפולקסווגן גולף דור שלישי.

מכאן, מהנדסי פולקסווגן ריצו עם הקונספט:

• ה-VR5 הגיע כ-VR6 עם גליל אחד מוסר.
• ה-W8 שילב שתי יחידות VR מקוצרות (ארבעה גלילים כל אחת) על גל ארכובה יחיד — הותקן בפאסאט הדגל.
• ה-W12 הוצג לראשונה ב-1998 בקונספט W12 Roadster: שני מנועי VR6 מחוברים בזווית של 72° על גל ארכובה אחד.
• ה-W16 — עם ארבעה טורבו-מטענים — מניע את בוגאטי ויירון ל-431 קמ”ש, מה שהופך אותו ליישום הייצור הקיצוני ביותר של ארכיטקטורה זו.

מדוע פריסות אלה לא היו קיימות קודם? עיצוב בסיוע מחשב המודרני אפשר אותן. אופטימיזציה של הזווית הכלולה, מיקומי סיכות הארכובה, סדר ההצתה ומאפייני האיזון על פני גיאומטריות מורכבות כאלה הייתה בלתי אפשרית כמעט ללא כוח המחשוב הזמין מתחילת שנות ה-90 ואילך. גל הארכובה של W12 לבדו הוא סיוט לפקיד מכונה — הסוג של חלק שהגיוני רק לאחר שמחשב אימת כל סובלנות.

מה שבאמת חשוב בתכנון מנועים בעולם האמיתי

אם יש מסר אחד שיש לקחת מכל זה, הוא שאיזון תיאורטי הוא לעתים נדירות הגורם המכריע כאשר מהנדס בוחר פריסת מנוע. העדיפויות האמיתיות הן:

• אריזה — האם הוא מתאים לתא המנוע?
• משקל וצפיפות כוח — מה היחס הטוב ביותר ליישום?
• עלות ייצור — האם ניתן לשתף רכיבים בין מגוון הדגמים?
• מודולריות — יותר ויותר, יצרנים בונים משפחות מנועים שלמות מארכיטקטורת בוכנה ורוחב קדח משותפת, ממנועים תלת-גליליים חסכוניים ועד דגלי שנים-עשר גלילים

מגוון המנועים הנוכחי של מרצדס-בנץ הוא דוגמה מופתית לגישה המודולרית: ארכיטקטורה משותפת עומדת בבסיס מנועים על פני פלטי עוצמה וספירות גלילים שונות מאוד.

ובנוגע לרעידות — כדאי לזכור שאיזון תיאורטי ואיזון בפועל הם שני דברים שונים לחלוטין. אפילו שישה גלילים ישרים מאוזנים בשלמות ירעדו אם מכלול גל הארכובה שלהם אינו מאוזן כראוי, או אם הבוכנות וביל הארכובה שלהם משתנים ניכרות במשקל. סבילויות ייצור בעולם האמיתי ועיוות רכיבים תחת עומס פירושם שאין מנוע חלק בפועל כפי שהמשוואות מציעות. זו הסיבה לכך שעיצוב תושבות המנוע — האופן שבו יחידת הכוח מבודדת משאר הרכב — חשוב לא פחות מהפריסה עצמה. לפעמים אפילו יותר.

זהו תרגום. ניתן לקרוא את המקור כאן: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html