इंजन कॉन्फ़िगरेशन समझाया गया: सीधे, V-आकार और फ्लैट इंजन

20वीं सदी की शुरुआत में, जब ऑटोमोटिव इंजीनियरिंग तेज़ी से आगे बढ़ रही थी, एक 10-लीटर इंजन या तो सिंगल-सिलेंडर यूनिट हो सकता था या, मान लीजिए, स्ट्रेट-एट। उस समय, कोई भी 23-लीटर स्ट्रेट-सिक्स या किसी विमान के सात-सिलेंडर रेडियल इंजन को कार में लगाए जाने पर हैरान नहीं होता था।

जैसे-जैसे बड़े पैमाने पर उत्पादन बढ़ा और लागत का दबाव बढ़ा, सब कुछ अपनी जगह पर आ गया। सिंगल-सिलेंडर इंजन अतीत की बात हो गया। आज, एक सामान्य कार इंजन में औसत सिलेंडर विस्थापन 300 से 600 क्यूबिक सेंटीमीटर के बीच है, और विशिष्ट आउटपुट नेचुरली एस्पिरेटेड डीज़ल में लगभग 35 hp/l से लेकर हाई-परफॉर्मेंस पेट्रोल इंजन में 100 hp/l तक होती है। ये मास-मार्केट उत्पादन के लिए आदर्श सीमाएँ हैं — इनसे बाहर जाना आर्थिक दृष्टि से उचित नहीं है।

तो आधुनिक इंजन परिदृश्य कैसा दिखता है? सामान्य तौर पर:

• 100 hp इंजन में आमतौर पर चार सिलेंडर होते हैं
• 200 hp इंजन में आमतौर पर चार, पाँच या छः सिलेंडर होते हैं
• 300 hp इंजन में आमतौर पर आठ सिलेंडर होते हैं

लेकिन उन सिलेंडरों को वास्तव में कैसे व्यवस्थित किया जा सकता है? मल्टी-सिलेंडर इंजन डिज़ाइन करते समय इंजीनियरों के पास कौन-से लेआउट विकल्प होते हैं? आइए इसे विस्तार से समझते हैं।

सीधे इंजन: सरल लेकिन बढ़ती अव्यावहारिकता

किसी भी इंजन डिज़ाइनर के दिमाग में सबसे पहला सवाल यह होता है कि डिज़ाइन को कैसे सरल बनाया जाए — उत्पादन लागत कम रखना और रखरखाव सीधा रखना। इस मामले में, इनलाइन (सीधा) इंजन सबसे आगे है। सिलेंडर एक ही पंक्ति में व्यवस्थित होते हैं, और क्षमता बढ़ाना उतना ही आसान है जितना कि और सिलेंडर जोड़ना।

इनलाइन इंजन वेरिएंट व्यवहार में इस प्रकार हैं:

• दो- और तीन-सिलेंडर इंजन कारों में अपेक्षाकृत दुर्लभ हैं, हालाँकि उन्नत फ्यूल इंजेक्शन और टर्बोचार्जिंग की बदौलत दो-सिलेंडर फॉर्मेट वापसी कर रहा है — Fiat 500 का 85 hp टर्बोचार्ज्ड दो-सिलेंडर इसका प्रमुख उदाहरण है।
• स्ट्रेट-फोर पैसेंजर कार की दुनिया का वर्कहॉर्स है, जो 1.0 से 2.4 लीटर तक के विस्थापन को कवर करता है।
• स्ट्रेट-फाइव इंजन अपेक्षाकृत हाल का विकास हैं। Mercedes-Benz ने 1974 में डीज़ल फाइव-सिलेंडर की शुरुआत की (W123 प्लेटफॉर्म पर 300D), इसके दो साल बाद Audi का दो-लीटर गैसोलीन फाइव-सिलेंडर आया, फिर 1980 के दशक के अंत में Volvo और Fiat भी इसमें शामिल हो गए।
• स्ट्रेट-सिक्स इंजन, जो अपनी सहजता के लिए लंबे समय से यूरोप में पसंदीदा रहे हैं, अब तेज़ी से दुर्लभ होते जा रहे हैं। इनके और लंबे संस्करण, स्ट्रेट-एट, को 1930 के दशक में ही प्रभावी रूप से छोड़ दिया गया था।

इस प्रवृत्ति का कारण सीधा है: जितने अधिक सिलेंडर जोड़ते हैं, इंजन उतना ही लंबा होता जाता है — और इससे गंभीर पैकेजिंग समस्याएँ पैदा होती हैं। उदाहरण के लिए, फ्रंट-व्हील-ड्राइव इंजन बे में स्ट्रेट-सिक्स को अनुप्रस्थ रूप से फिट करना केवल कुछ ही मामलों में संभव हो पाया है: Austin Maxi 2200 (जिसके लिए गियरबॉक्स को इंजन के नीचे रखना पड़ा) और Volvo S80 अपने अल्ट्रा-कॉम्पैक्ट गियरबॉक्स के साथ।

V-आकार और फ्लैट इंजन: कॉम्पैक्ट लेकिन जटिल

तो इनलाइन इंजन को कैसे छोटा किया जाए? इसका सुंदर समाधान यह है: इसे आधे में बाँटें, दोनों हिस्सों को एक-दूसरे के बगल में रखें और दोनों से एक ही क्रैंकशाफ्ट चलाएँ। यही V इंजन का सार है।

सबसे सामान्य V-इंजन कॉन्फ़िगरेशन सिलेंडर बैंकों के बीच 60° या 90° के कोण का उपयोग करते हैं। उस कोण को पूरे 180° तक धकेलें — सिलेंडर सीधे एक-दूसरे से दूर इशारा करते हैं — और आपको एक फ्लैट इंजन मिलता है, जिसे बॉक्सर इंजन भी कहते हैं (इसीलिए B2, B4, B6 पदनाम हैं)।

सीधे इंजन की तुलना में इसके नुकसान महत्वपूर्ण हैं:

• दो सिलेंडर हेड — प्रत्येक के अपने गैस्केट और मैनिफोल्ड
• अधिक कैमशाफ्ट और अधिक जटिल वाल्व-ड्राइव व्यवस्था
• अधिक चौड़ाई (विशेष रूप से फ्लैट इंजन के लिए), जो उनकी स्थापना की जगह को सीमित करती है
• अधिक निर्माण लागत और अधिक जटिल सर्विसिंग

इन कमियों के कारण, फ्लैट इंजन का उपयोग केवल कुछ ही निर्माता करते हैं — Porsche और Subaru आज सबसे उल्लेखनीय हैं।

60° से कम कोण करके V इंजन को और अधिक कॉम्पैक्ट बनाने के बारे में क्या? यह किया जा चुका है — 1970 के दशक की Lancia Fulvia में महज़ 23° कोण वाला V4 था। लेकिन एक समस्या है: कोण जितना संकीर्ण होगा, इंजन को संतुलित करना उतना ही कठिन होगा। यही हमें इंजन डिज़ाइन की सबसे महत्वपूर्ण चुनौतियों में से एक तक ले जाता है।

इंजन कंपन: बल, टॉर्क और उन्हें नियंत्रित करने के तरीके

कोई भी पिस्टन आंतरिक दहन इंजन पूरी तरह से कंपन-मुक्त नहीं होता — यह डिज़ाइन में ही अंतर्निहित है। लेकिन कंपन का प्रबंधन करना महत्वपूर्ण है, न केवल यात्री आराम के लिए। गंभीर असंतुलित कंपन इंजन के पुर्जों को शारीरिक रूप से नष्ट कर सकता है, जिसके परिणामस्वरूप तेज़ गति पर पुर्जे उड़ने से विनाशकारी परिणाम हो सकते हैं।

इंजन कंपन कहाँ से आता है? इसके तीन मुख्य स्रोत हैं:

• असमान फायरिंग अंतराल — कुछ इंजन कॉन्फ़िगरेशन में, पावर स्ट्रोक बिल्कुल समान अंतराल पर नहीं फायर होते, जिससे टॉर्क रिपल बनता है। एक भारी फ्लाईव्हील इसे सुचारू करने में मदद कर सकता है।
• पिस्टन जड़त्व बल — जैसे-जैसे पिस्टन ऊपर की ओर त्वरित होते हैं और अपने स्ट्रोक के शीर्ष पर धीमे होते हैं (और नीचे पर भी), वे जड़त्व बल उत्पन्न करते हैं जैसा आप तब महसूस करते हैं जब कार ब्रेक लगाती है या तेज़ होती है।
• कनेक्टिंग रॉड ज्यामिति — कनेक्टिंग रॉड सीधी रेखा में नहीं चलती, और पिस्टन की गति एकदम सही साइनसॉइड नहीं है, जो क्रैंकशाफ्ट गति के गुणकों पर अतिरिक्त बल घटक पेश करती है।

ये उच्च-क्रम जड़त्व बल आमतौर पर नगण्य होते हैं — सिवाय द्वितीय-क्रम बलों के, जो क्रैंकशाफ्ट आवृत्ति के दोगुने पर कार्य करते हैं और हमेशा इन्हें ध्यान में रखना आवश्यक है। जब आसन्न सिलेंडरों में जड़त्व बल एक निश्चित दूरी पर विपरीत दिशाओं में कार्य करते हैं, तो वे टॉर्क कपल भी उत्पन्न करते हैं, जिससे जटिलता की एक और परत जुड़ जाती है।

इंजीनियरों के पास इन बलों से लड़ने के दो मुख्य उपकरण हैं:

• स्वाभाविक रूप से संतुलित कॉन्फ़िगरेशन चुनना — सिलेंडरों और क्रैंकशाफ्ट थ्रो को इस तरह व्यवस्थित करना कि बल और टॉर्क एक-दूसरे को स्वाभाविक रूप से रद्द कर दें।
• बैलेंस शाफ्ट जोड़ना — काउंटरवेट वाले सेकेंडरी शाफ्ट जो क्रैंकशाफ्ट की विपरीत दिशा में घूमते हैं, समान और विपरीत बल उत्पन्न करते हैं। ये लागत और यांत्रिक जटिलता बढ़ाते हैं लेकिन समस्याग्रस्त कंपन मोड को पूरी तरह से बेअसर कर सकते हैं।

सभी सामान्य इंजन लेआउट में से, केवल दो सैद्धांतिक रूप से पूरी तरह संतुलित हैं: स्ट्रेट-सिक्स और फ्लैट-सिक्स। यही कारण है कि BMW और Porsche इन कॉन्फ़िगरेशनों को इतनी दृढ़ता से थामे हुए हैं — और क्यों अन्य लोग पैकेजिंग चुनौतियों के बावजूद इन्हें छोड़ने में झिझकते हैं।

कॉन्फ़िगरेशन के अनुसार इंजन संतुलन: एक व्यावहारिक मार्गदर्शिका

आइए देखें कि कंपन और संतुलन के मामले में प्रत्येक प्रमुख इंजन कॉन्फ़िगरेशन वास्तविक दुनिया में कैसा प्रदर्शन करता है।

दो-सिलेंडर स्ट्रेट इंजन (क्रैंक एक ही दिशा में) संतुलन के मामले में सिंगल-सिलेंडर की तरह व्यवहार करते हैं — दोनों पिस्टन एक साथ ऊपर-नीचे होते हैं। रूसी Oka ने प्रथम-क्रम जड़त्व बलों से निपटने के लिए दो काउंटर-रोटेटिंग बैलेंस शाफ्ट का उपयोग किया, लेकिन द्वितीय-क्रम बलों को नज़रअंदाज़ किया गया। दो और बैलेंस शाफ्ट जोड़ना इतनी छोटी, किफ़ायती कार के लिए पूरी तरह अव्यावहारिक होता। कई दो-सिलेंडर इंजन — जैसे मूल 1957 Fiat 500 और भारतीय Tata Nano — बिना किसी बैलेंस शाफ्ट के चले, कंपन को अवशोषित करने के लिए लचीले इंजन माउंट पर भरोसा करते हुए। बजट अनुप्रयोगों के लिए सस्ता, सरल और स्वीकार्य।

180° पर क्रैंक वाले दो-सिलेंडर इंजन (पिस्टन विपरीत चरण में चलते हैं) बेहतर प्राथमिक संतुलन प्रदान करते हैं लेकिन केवल दो-स्ट्रोक रूप में ही सम फायरिंग अंतराल प्राप्त कर सकते हैं — जैसा कि युद्ध-पूर्व DKW और उनके वंशज, पूर्व जर्मन Trabant में उपयोग किया गया था।

V-ट्विन इंजन आज लगभग विशेष रूप से मोटरसाइकिलों पर बचे हैं — Harley-Davidson और उसके जापानी अनुकरणकर्ता इसके स्पष्ट उदाहरण हैं। NAMI-1 व्यावहारिक रूप से एकमात्र ऐसी कार है जिसने कभी इस लेआउट का उपयोग किया। क्रैंकशाफ्ट पर काउंटरवेट इसे पूर्ण संतुलन के करीब ला सकते हैं, लेकिन सम फायरिंग अंतराल अप्राप्य रहता है।

तीन-सिलेंडर इंजन स्ट्रेट-फोर से भी बदतर संतुलित होते हैं। Subaru और Daihatsu जैसे निर्माता मानक के रूप में बैलेंस शाफ्ट लगाते हैं; Opel का दूसरी पीढ़ी के Corsa के Ecotec तीन-सिलेंडर में इसे न लगाने का निर्णय लागत बचाने के लिए था, लेकिन 1996 में इसकी डेब्यू के बाद जर्मन ऑटोमोटिव प्रेस में कार की खुरदरी प्रतिष्ठा बनी — इसे “शहर में परिवर्तनशील मोड में चलाना बिल्कुल असंभव” बताया गया।

स्ट्रेट-फोर इंजन — दुनिया में सबसे सामान्य लेआउट — में एक मुक्त द्वितीय-क्रम जड़त्व बल होता है जिसे केवल क्रैंकशाफ्ट गति के दोगुने पर चलने वाले बैलेंस शाफ्ट से ही बेअसर किया जा सकता है। परिणामी टॉर्क को रद्द करने के लिए, एक दूसरे काउंटर-रोटेटिंग शाफ्ट की आवश्यकता होती है। महंगा, हाँ — लेकिन Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat और Volkswagen Group के ब्रांड सभी ने इस सेटअप का उपयोग तब किया जब परिष्कार की मांग थी।

फ्लैट-फोर इंजन अपने इनलाइन समकक्षों से थोड़े बेहतर हैं — केवल एक द्वितीय-क्रम टॉर्क कपल बचता है, जो इंजन को उसकी ऊर्ध्वाधर धुरी के चारों ओर यॉ करता है। फिर भी, एयर-कूल्ड Beetle इंजन और Subaru के बॉक्सर यूनिट दोनों ने दशकों तक बिना बैलेंस शाफ्ट के काम किया है।

स्ट्रेट-फाइव इंजन में क्षतिपूर्ति प्राथमिक जड़त्व बल होते हैं लेकिन एक रोलिंग बेंडिंग टॉर्क से पीड़ित होते हैं जो लगातार ब्लॉक से गुजरता है — जिसके लिए असाधारण रूप से कठोर संरचना की आवश्यकता होती है। Mercedes-Benz, Audi और Volvo ने परिष्कृत इंजन माउंट और काउंटरवेट (जैसे Audi TT RS में सुपरचार्ज्ड 2.5 TFSI) के माध्यम से इससे निपटा, जबकि Fiat के इंजीनियर आगे बढ़े और पूर्ण बैलेंस शाफ्ट का उपयोग किया।

एक흥미रोचक तथ्य: लगभग सभी पाँच-सिलेंडर इंजन अनिवार्य रूप से एक अतिरिक्त सिलेंडर जोड़े गए चार-सिलेंडर इंजन हैं। यह मॉड्यूलर दृष्टिकोण साझा पिस्टन, कनेक्टिंग रॉड और वाल्वट्रेन घटकों की अनुमति देता है — केवल ब्लॉक, हेड और क्रैंकशाफ्ट (72° अंतराल पर थ्रो के साथ) को बदलने की आवश्यकता होती है।

V6 इंजन जिन्होंने स्ट्रेट-सिक्स की जगह ली, वे तीन-सिलेंडर जैसी ही संतुलन विशेषताएँ साझा करते हैं — जो कि आदर्श नहीं है। पहले Mercedes-Benz V6 (M112, प्रति सिलेंडर तीन वाल्व के साथ) ने बैंकों के बीच की घाटी में एक बैलेंस शाफ्ट लगाकर इसे संबोधित किया। PSA Group के तीन-लीटर सिक्स-सिलेंडर ने एक को सिलेंडर हेड में रखा। अन्य निर्माताओं ने सावधानीपूर्वक क्रैंक पिन ऑफसेटिंग को प्राथमिकता दी — जैसा कि Audi V6 पर देखा गया — बिना अतिरिक्त जटिलता के कंपन को कम करने के लिए। 90° इंक्लुडेड एंगल वाले V6 इंजन एक और सिरदर्द जोड़ते हैं: स्वाभाविक रूप से असमान फायरिंग अंतराल जिसे एक भारित फ्लाईव्हील केवल आंशिक रूप से सुचारू कर सकता है।

V8 इंजन 90° बैंक एंगल और दो परस्पर लंबवत विमानों में क्रैंकशाफ्ट थ्रो के साथ बहुत अच्छी तरह से संतुलित होते हैं। सम फायरिंग अंतराल प्राप्त करना संभव है, और केवल दो अवशिष्ट टॉर्क कपल बचते हैं — जिन्हें क्रैंकशाफ्ट के अंत जर्नल पर काउंटरवेट द्वारा आसानी से संबोधित किया जाता है। यही एक बड़ा कारण है कि अमेरिकी इंजीनियरों ने V8 को इतने उत्साह से अपनाया: वे बस कंपन बर्दाश्त नहीं करते।

V4 इंजन दुर्लभ थे और अब कारों में लगभग विलुप्त हो गए हैं। यूरोपीय Ford V4 (Taunus, Capri और Saab 96 में उपयोग किया गया) और Zaporozhets के अनोखे V4 दोनों को प्रथम-क्रम टॉर्क कपल के लिए एक बैलेंस शाफ्ट की आवश्यकता थी। कॉम्पैक्टनेस और लागत मुख्य कारक थे — संतुलन गौण था।

V10 इंजन स्ट्रेट-फाइव जैसी ही संतुलन विशेषताएँ साझा करते हैं। इसने Formula 1 इंजन के डिज़ाइनरों, Dodge Viper या Dodge RAM को इनका उपयोग करने से नहीं रोका — जब आपको शक्ति चाहिए, तो आप कंपन का प्रबंधन करते हैं।

और अधिक विदेशी लेआउट के बारे में: फ्लैट-एट (जैसा कि Porsche 917 रेसिंग कारों में उपयोग किया गया) प्रभावी रूप से एक सामान्य क्रैंकशाफ्ट पर दो फ्लैट-फोर हैं, जबकि V12 और फ्लैट-12 इंजन दो स्ट्रेट-सिक्स तक सिमट जाते हैं — जो उनकी असाधारण सहजता की व्याख्या करता है।

VR6, VR5 और W-इंजन: Volkswagen की पैकेजिंग कुशलता

हमने पहले Lancia Fulvia जैसे संकीर्ण-कोण V इंजनों का उल्लेख किया था। दशकों तक इनसे बचा जाता रहा — 60° या 90° लेआउट की तुलना में संतुलित करना कठिन, और पैकेजिंग लाभ परेशानी के लायक नहीं लगते थे। फिर प्राथमिकताएँ बदल गईं।

दो विकासों ने खेल बदल दिया:

• हाइड्रोलिक इंजन माउंट व्यापक रूप से उपलब्ध हो गए, जिससे इंजन के सैद्धांतिक संतुलन की परवाह किए बिना कंपन संचरण में नाटकीय रूप से कमी आई।
• बोनट के नीचे की जगह तेज़ी से कम होती गई, जिससे कॉम्पैक्टनेस एक प्रीमियम गुण बन गई। किसने कल्पना की होती कि एक साधारण हैचबैक 2.8-लीटर सिक्स-सिलेंडर इंजन छुपाएगी? Volkswagen ने यह संभव कर दिखाया।

Volkswagen VR6 — “VR” का अर्थ V-Reihen (V-इनलाइन) है — संकीर्ण-कोण अवधारणा को Lancia से भी आगे ले जाता है, बैंकों के बीच केवल 15° कोण का उपयोग करके। परिणाम इतना कॉम्पैक्ट है कि यह प्रभावी रूप से एक ऑफसेट इनलाइन इंजन के रूप में कार्य करता है, और उल्लेखनीय रूप से, यह दोनों बैंकों के लिए एकल सिलेंडर हेड का उपयोग करता है। एक 2.8-लीटर सिक्स-सिलेंडर इंजन जो वहाँ फिट होता है जहाँ एक पारंपरिक V6 नहीं होती — तीसरी पीढ़ी के Volkswagen Golf में पहली बार प्रस्तुत किया गया।

वहाँ से, Volkswagen के इंजीनियरों ने इस अवधारणा को आगे बढ़ाया:

• VR5 एक सिलेंडर हटाए गए VR6 के रूप में आया।
• W8 ने एक ही क्रैंकशाफ्ट पर दो छोटे VR यूनिट (प्रत्येक चार सिलेंडर) को मिलाया — फ्लैगशिप Passat सेडान में लगाया गया।
• W12 ने 1998 में W12 Roadster कॉन्सेप्ट पर डेब्यू किया: एक क्रैंकशाफ्ट पर 72° कोण पर दो VR6 इंजन जुड़े।
• W16 — चार टर्बोचार्जर के साथ — Bugatti Veyron को 431 km/h तक पहुँचाता है, जो इस आर्किटेक्चर का सबसे चरम उत्पादन अनुप्रयोग है।

ये लेआउट पहले क्यों नहीं थे? आधुनिक कंप्यूटर-एडेड डिज़ाइन ने इन्हें संभव बनाया। इतनी जटिल ज्यामितियों में इंक्लुडेड एंगल, क्रैंक पिन पोजिशन, फायरिंग ऑर्डर और संतुलन विशेषताओं को अनुकूलित करना 1990 के दशक से उपलब्ध कंप्यूटेशनल शक्ति के बिना व्यावहारिक रूप से असंभव होता। W12 का क्रैंकशाफ्ट अकेले एक मशीनिस्ट का दुःस्वप्न है — एक ऐसा पुर्जा जो तभी समझ में आता है जब कोई कंप्यूटर हर सहनशीलता की पुष्टि कर चुका हो।

वास्तविक इंजन डिज़ाइन में वास्तव में क्या मायने रखता है

यदि इन सब से एक सबक लेना है, तो वह यह है कि सैद्धांतिक संतुलन शायद ही कभी निर्णायक कारक होता है जब कोई इंजीनियर इंजन लेआउट चुनता है। वास्तविक प्राथमिकताएँ हैं:

• पैकेजिंग — क्या यह इंजन बे में फिट होता है?
• वज़न और शक्ति घनत्व — अनुप्रयोग के लिए सबसे अच्छा अनुपात क्या है?
• उत्पादन लागत — क्या यह एक मॉडल रेंज में घटकों को साझा कर सकता है?
• मॉड्यूलरिटी — बढ़ती दर से, निर्माता एक सामान्य पिस्टन और बोर आर्किटेक्चर से पूरी इंजन फैमिली बनाते हैं, तीन-सिलेंडर इकॉनमी यूनिट से लेकर बारह-सिलेंडर फ्लैगशिप तक

Mercedes-Benz की वर्तमान इंजन लाइनअप मॉड्यूलर दृष्टिकोण का एक पाठ्यपुस्तक उदाहरण है: एक साझा आर्किटेक्चर व्यापक रूप से भिन्न पावर आउटपुट और सिलेंडर काउंट वाले इंजनों को रेखांकित करती है।

और कंपन के बारे में — यह याद रखने योग्य है कि सैद्धांतिक और वास्तविक संतुलन दो बहुत अलग चीज़ें हैं। यहाँ तक कि एक पूरी तरह से संतुलित स्ट्रेट-सिक्स भी हिलेगा अगर उसकी क्रैंकशाफ्ट असेंबली ठीक से संतुलित नहीं है या अगर उसके पिस्टन और कनेक्टिंग रॉड का वज़न काफ़ी भिन्न है। वास्तविक उत्पादन सहनशीलता और लोड के तहत घटक विरूपण का मतलब है कि कोई भी इंजन व्यवहार में कभी भी समीकरणों की तरह सुचारू नहीं होता। यही कारण है कि इंजन माउंट डिज़ाइन — जिस तरह से पावरप्लांट को कार के बाकी हिस्सों से अलग किया जाता है — लेआउट जितना ही महत्वपूर्ण है। कभी-कभी इससे भी अधिक।

यह एक अनुवाद है। मूल लेख यहाँ पढ़ सकते हैं: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html