Konfiguracija motora: Redni, V i boxer motori

Na zori 20. stoljeća, kada je automobilsko inženjerstvo napredovalo punom parom, desetlitarski motor mogao je biti jednocilindrična jedinica ili, recimo, redni osam. Tada nikoga nije čudilo ni 23-litarsko redni šest ni sedmocilindrični zvjezdasti zrakoplovni motor ugrađen u automobil.

Kako je masovna proizvodnja rasla i pritisak troškova se pojačavao, sve je sjelo na svoje mjesto. Jednocilindrični motor postao je relikvija prošlosti. Danas prosječni radni obujam cilindra konvencionalnog automobilskog motora iznosi između 300 i 600 kubičnih centimetara, sa specifičnom snagom od oko 35 KS/l u atmosferskom dizelskom motoru do 100 KS/l u visokoperformantnom benzinskom motoru. To su optimalne vrijednosti za masovnu proizvodnju — izlazak iz tih okvira jednostavno nije ekonomičan.

Kako dakle izgleda suvremeni krajolik motora? Općenito govoreći:

• Motor od 100 KS obično ima četiri cilindra
• Motor od 200 KS obično radi s četiri, pet ili šest cilindara
• Motor od 300 KS najčešće koristi osam cilindara

Ali kako se ti cilindri zapravo mogu rasporediti? Koje opcije rasporeda imaju inženjeri pri projektiranju višecilindričnog motora? Razložimo to.

Redni motori: Jednostavni, ali sve nepraktičniji

Ključno pitanje svakog projektanta motora je kako pojednostaviti konstrukciju — zadržavajući troškove proizvodnje niskim i održavanje jednostavnim. Na tom frontu, redni motor pobjeđuje bez premca. Cilindri su raspoređeni u jednom redu, a povećanje kapaciteta jednostavno je koliko i dodavanje novih cilindara.

Evo kako se varijante rednih motora dijele u praksi:

• Dvocilindrični i trocilindrični motori relativno su rijetki u automobilima, iako dvocilindrični format doživljava povratak zahvaljujući naprednom ubrizgavanju goriva i turbopunjenju — turbonabijena dvocilindrica od 85 KS u Fiatu 500 savršen je primjer.
• Redni četverac je radni konj svijeta osobnih automobila, s radnim obujmima od 1,0 do 2,4 litre.
• Redni petocilindrični motori noviji su razvoj. Mercedes-Benz bio je pionir dizelskog petocilindra 1974. godine (300D na platformi W123), a dvije godine kasnije slijedio ga je Audijev dvolitarski benzinski petocilindar, dok su se Volvo i Fiat pridružili krajem 1980-ih.
• Redni šestocilindrični motori, dugo omiljeni u Europi zbog svoje glatkoće, postaju sve rjeđi. Njihov još duži brat, redni osam, u praksi je napušten još 1930-ih.

Razlog za ovaj trend je jasan: što više cilindara dodate, to motor postaje duži — a to stvara ozbiljne probleme s ugradnjom. Ugradnja rednog šestocilindra poprečno u motorni prostor automobila s prednjim pogonom, na primjer, uspjela je samo u nekoliko slučajeva: Austin Maxi 2200 (koji je zahtijevao smještaj mjenjača ispod motora) i Volvo S80 s iznimno kompaktnim mjenjačem.

V i boxer motori: Kompaktni, ali složeni

Kako dakle skratiti redni motor? Elegantno rješenje: podijeliti ga na pola, postaviti oba dijela jedan uz drugi i njima pogoniti jednu koljenjaču. To je suština V motora.

Najčešće konfiguracije V motora koriste kut od 60° ili 90° između redova cilindara. Povećajte taj kut sve do 180° — cilindri usmjereni izravno jedan od drugoga — i dobivate boxer motor, poznat i kao ravni motor (otuda oznake B2, B4, B6).

Kompromisi u usporedbi s rednim motorom su značajni:

• Dvije glave cilindara — svaka s vlastitom brtvom i kolektorima
• Više bregastih osovina i složeniji sustav pogona ventila
• Veća širina (posebno kod boxer motora), što ograničava gdje se mogu ugraditi
• Viši troškovi proizvodnje i složenije servisiranje

Zbog ovih nedostataka, boxer motore koristi samo mali broj proizvođača — Porsche i Subaru danas su najistaknutiji.

Što s činjenicom da se V motor može učiniti još kompaktnijim smanjivanjem kuta ispod 60°? To je već učinjeno — Lancia Fulvia iz 1970-ih imala je V4 s kutom od samo 23°. Ali postoji kvaka: što je kut uži, to je motor teže uravnotežiti. Što nas dovodi do jednog od najkritičnijih izazova u projektiranju motora.

Vibracije motora: Sile, momenti i kako ih obuzdati

Nijedan klipni motor s unutarnjim izgaranjem nije potpuno bez vibracija — to je svojstveno konstrukciji. Ali upravljanje vibracijama je ključno, ne samo radi udobnosti putnika. Ozbiljne neuravnotežene vibracije mogu fizički uništiti komponente motora, sa svim katastrofalnim posljedicama koje dolaze s dijelovima koji se otkidaju pri velikim brzinama.

Odakle dolaze vibracije motora? Postoje tri glavna izvora:

• Nejednaki intervali paljenja — u nekim konfiguracijama motora, radni takti ne pale u savršeno jednakim intervalima, što stvara valovitost momenta. Teži zamašnjak može pomoći u izglađivanju toga.
• Sile inercije klipa — kako klipovi ubrzavaju prema gore i usporavaju na vrhu hoda (i obrnuto na dnu), generiraju sile inercije slične onima koje osjećate kada automobil koči ili ubrzava.
• Geometrija klipnjače — klipnjača se ne kreće po pravcu, a gibanje klipa nije savršena sinusoida, što uvodi dodatne komponente sile pri višekratnicima brzine koljenjaše.

Te sile inercije višeg reda općenito su zanemarive — osim sila drugog reda, koje djeluju pri dvostrukoj frekvenciji koljenjaše i uvijek se moraju uzeti u obzir. Kada sile inercije u susjednim cilindrima djeluju u suprotnim smjerovima na određenoj udaljenosti jedna od druge, one također generiraju momente sila, dodajući još jedan sloj složenosti.

Inženjeri imaju dva glavna alata za borbu protiv tih sila:

• Odabir inherentno uravnotežene konfiguracije — rasporediti cilindre i krakove koljenjaše tako da se sile i momenti prirodno poništavaju.
• Dodavanje osovina za uravnoteženje — sekundarne osovine s protuutezima koje se vrte u suprotnom smjeru od koljenjaše, generirajući jednake i suprotne sile. One povećavaju troškove i mehaničku složenost, ali mogu u potpunosti neutralizirati problematične načine vibriranja.

Od svih uobičajenih rasporeda motora, samo su dva teorijski savršeno uravnotežena: redni šest i boxer šest. Upravo zato BMW i Porsche tako čvrsto drže ove konfiguracije — i zašto su drugi nerado odustajali od njih unatoč izazovima ugradnje.

Uravnoteženost motora po konfiguraciji: Praktični vodič

Pogledajmo kako svaka glavna konfiguracija motora stoji u stvarnom svijetu kada je u pitanju vibracija i uravnoteženost.

Dvocilindrični redni motori (krakovi koljenjaše u istom smjeru) ponašaju se slično kao jednocilindrični u smislu uravnoteženosti — oba klipa se podižu i spuštaju u fazi. Ruski Oka koristio je dvije kontrarotacijske osovine za uravnoteženje za suočavanje sa silama inercije prvog reda, ali sile drugog reda ostale su nekontrolirane. Dodavanje još dvije osovine za uravnoteženje bilo bi potpuno nepraktično na tako malom, pristupačnom automobilu. Mnogi dvocilindrični motori — poput originalnog Fiata 500 iz 1957. i indijskog Tata Nana — jednostavno su radili bez ikakvih osovina za uravnoteženje, oslanjajući se na elastične nosače motora za apsorpciju vibracija. Jeftino, jednostavno i prihvatljivo za proračunske primjene.

Dvocilindrični motori s krakovima koljenjaše pod 180° (klipovi se kreću u protufazi) nude bolju primarnu uravnoteženost, ali mogu postići ravnomjerne intervale paljenja samo u dvotaktnom obliku — kao kod predratnih DKW-ova i njihovih potomaka, istočnonjemačkog Trabanta.

V-twin motori danas preživljavaju gotovo isključivo na motociklima — Harley-Davidson i njegovi japanski imitatori su očigledni primjeri. NAMI-1 je gotovo jedini automobil koji je ikada koristio ovaj raspored. Protuutezi na koljenjaši mogu ga dovesti blizu potpune uravnoteženosti, ali ravnomjerni intervali paljenja ostaju nedostižni.

Trocilindrični motori slabije su uravnoteženi od rednog četverocilindra. Proizvođači poput Subarua i Daihatsua montiraju osovine za uravnoteženje kao standard; Opelova odluka da izostavi osovinu za uravnoteženje u trocilindričnom Ecotecu za Corsu druge generacije uštedjela je troškove, ali je automobilu donijela lošu reputaciju u njemačkom automobilskom tisku nakon debija 1996. godine — opisana je kao „apsolutno nemoguća za vožnju gradom u promjenjivim načinima rada”.

Redni četverocilindarski motori — najčešći raspored na svijetu — imaju slobodnu silu inercije drugog reda koju može neutralizirati samo osovina za uravnoteženje koja radi pri dvostrukoj brzini koljenjaše. Za poništavanje rezultirajućeg momenta potrebna je druga kontrarotacijska osovina. Skupo, da — ali Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat i brendovi Volkswagen Grupe koristili su ovu postavku kada je to zahtijevala kultiviranost.

Boxer četverocilindarski motori rade nešto bolje od svojih rednih pandana — ostaje samo moment sile drugog reda, koji ima tendenciju zakretanja motora oko njegove vertikalne osi. Čak i tako, i zrakom hlađeni Buba motor i Subaruove boxer jedinice desetljećima su se snalazile bez osovina za uravnoteženje.

Redni petocilindrični motori imaju kompenzirane primarne sile inercije, ali pate od zakretnog momenta savijanja koji se stalno kreće kroz blok — zahtijevajući iznimno krutu konstrukciju. Mercedes-Benz, Audi i Volvo riješili su to kroz sofisticirane nosače motora i protuuteze (poput kompresiranog 2,5 TFSI u Audiju TT RS), dok su Fiatovi inženjeri otišli dalje i koristili potpunu osovinu za uravnoteženje.

Jedna zanimljiva napomena: gotovo svi petocilindrični motori u suštini su četverocilindarski motori s jednim dodatnim cilindrom pričvršćenim na njega. Ovaj modularni pristup omogućuje dijeljenje klipova, klipnjača i komponenti pogona ventila — samo blok, glava i koljenjaša (s krakovima na intervalima od 72°) trebaju biti promijenjeni.

V6 motori koji su zamijenili redne šestocilindre dijele iste karakteristike uravnoteženosti kao trocilindrični — što znači, ne idealne. Prvi Mercedes-Benz V6 (M112, s tri ventila po cilindru) riješio je to osovinom za uravnoteženje postavljenom u udolini između redova cilindara. PSA Grupov trolitar šesticilindar postavio ga je u glavu cilindra. Drugi proizvođači odlučili su se za pažljivo pomicanje klipnjačnih čepova — kao što se vidi na Audijevom V6 — kako bi minimizirali vibracije bez dodane složenosti. V6 motori s kutom od 90° dodaju još jedan problem: inherentno neravnomjerne intervale paljenja koje teži zamašnjak može samo djelomično izgladiti.

V8 motori s kutom od 90° i krakovima koljenjaše u dvjema međusobno okomitim ravninama vrlo su dobro uravnoteženi. Ravnomjerni intervali paljenja su ostvarivi, i ostaju samo dva rezidualna momenta sile — lako rješiva protuutezima na krajnjim ležajima koljenjaše. To je veliki dio razloga zašto su američki inženjeri tako entuzijastično prihvatili V8: oni jednostavno ne toleriraju vibracije.

V4 motori bili su rijetki i sada su gotovo izumrli u automobilima. Europski Ford V4 (korišten u Taunusu, Capriju i Saabu 96) i čudnovati V4 Zaporošca zahtijevali su osovinu za uravnoteženje za momente sile prvog reda. Kompaktnost i cijena bili su pokretački čimbenici — uravnoteženost je bila sekundarna.

V10 motori dijele iste karakteristike uravnoteženosti kao redni petocilindar. To nije spriječilo konstruktore motora Formule 1, Dodge Vipera ili Dodge RAM-a da ih koriste — kada trebate snagu, upravljate vibracijom.

Što se tiče egzotičnijih rasporeda: boxer osam (kao u Porscheu 917 za trkaće automobile) u osnovi je dva boxer četverocilindra na zajedničkoj koljenjaši, dok se V12 i boxer 12 motori svode na dva redna šestocilindra — što objašnjava njihovu iznimnu glatkoću.

VR6, VR5 i W motori: Volkswagenov majstorski potez u ugradnji

Ranije smo dotakli V motore s uskim kutom poput Lancie Fulvie. Desetljećima su se izbjegavali — teže ih je uravnotežiti od rasporeda pod 60° ili 90°, a prednosti ugradnje nisu se činile vrijednima truda. Zatim su se prioriteti promijenili.

Dva razvoja promijenila su igru:

• Hidraulički nosači motora postali su široko dostupni, dramatično suzbijajući prijenos vibracija neovisno o teoretskoj uravnoteženosti motora.
• Prostor ispod haube postajao je sve oskudniji, čineći kompaktnost premium svojstvom. Tko bi zamislio skroman hatchback koji skriva 2,8-litarski šestocilindrični motor? Volkswagen je to ostvario.

Volkswagen VR6 — „VR” stoji za V-Reihen (V-redni) — ide dalje od Lancie s konceptom uskog kuta, koristeći samo 15° kuta između redova. Rezultat je toliko kompaktan da u osnovi funkcionira kao pomični redni motor, i što je nevjerojatno, koristi jednu glavu cilindra za oba reda. 2,8-litarski šestocilindrični motor koji stane tamo gdje konvencionalni V6 ne bi — debitirao u Volkswagen Golfu treće generacije.

Od tamo su Volkswagenovi inženjeri razvijali koncept:

• VR5 stigao je kao VR6 s jednim uklonjenim cilindrom.
• W8 kombinirao je dvije skraćene VR jedinice (svaka s četiri cilindra) na jednoj koljenjaši — ugrađen u flagship Passat sedan.
• W12 debitirao je 1998. na konceptu W12 Roadster: dva VR6 motora spojena pod kutom od 72° na jednoj koljenjaši.
• W16 — s četiri turbopunjača — pokreće Bugatti Veyron do 431 km/h, čineći ga najekstremnijom serijskom primjenom ove arhitekture.

Zašto ovi rasporedi nisu postojali ranije? Suvremeni računalom potpomognuti dizajn učinio ih je mogućima. Optimizacija uključenog kuta, položaja klipnjačnih čepova, redoslijeda paljenja i karakteristika uravnoteženosti kroz takve složene geometrije bila bi praktično nemoguća bez računalne snage dostupne od 1990-ih nadalje. Sama koljenjaša W12 je noćna mora strojara — vrsta dijela koji ima smisla samo kada računalo potvrdi svaku toleranciju.

Što je zapravo važno u projektiranju motora u stvarnom svijetu

Ako postoji jedna pouka od svega ovoga, to je da teorijska uravnoteženost rijetko je odlučujući čimbenik kada inženjer bira raspored motora. Stvarni prioriteti su:

• Ugradnja — stane li u motorni prostor?
• Težina i gustoća snage — koji je najbolji omjer za primjenu?
• Troškovi proizvodnje — može li dijeliti komponente unutar raspona modela?
• Modularnost — sve više, proizvođači grade čitave obitelji motora od zajedničke arhitekture klipa i promjera, od trocilindarskih ekonomičnih jedinica sve do dvanaestocilindarskih flagshipova

Trenutna linija motora Mercedes-Benza je udžbenički primjer modularnog pristupa: zajednička arhitektura podupire motore kroz znatno različite izlazne snage i broj cilindara.

A što se tiče vibracija — vrijedi zapamtiti da su teorijska i stvarna uravnoteženost dvije vrlo različite stvari. Čak i savršeno uravnoteženi redni šestocilindar će vibrirati ako sklop koljenjaše nije pravilno uravnotežen ili ako se klipovi i klipnjače vidljivo razlikuju u težini. Stvarne proizvodne tolerancije i deformacija komponenti pod opterećenjem znače da nijedan motor u praksi nikada nije toliko gladak koliko jednadžbe sugeriraju. Zbog toga je projektiranje nosača motora — način na koji se motor izolira od ostatka automobila — jednako važno kao i sam raspored. Ponekad i važnije.

Ovo je prijevod. Izvornik možete pročitati ovdje: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html