Motorkonfiguráció magyarázva: Soros, V-alakú és bokszermotorok

A 20. század hajnalán, amikor az autóipari mérnöki tudomány rohamléptekben fejlődött, egy 10 literes motor lehetett egyhengeres egység, vagy akár egy nyolchengeres soros motor is. Akkoriban senki sem lepődött meg egy 23 literes soros hathengeres vagy egy repülőgépből átültetett héthengeres csillagmotor látványán.

Ahogy a tömeggyártás felfutott és a költségnyomás erősödött, minden a helyére került. Az egyhengeres motor a múlt relikviájává vált. Ma egy átlagos személyautó motorjában egy henger lökettérfogata 300 és 600 köbcentiméter között mozog, a fajlagos teljesítmény pedig a szívómotoroknál kb. 35 LE/l-től a csúcsteljesítményű benzinmotoroknál 100 LE/l-ig terjed. Ezek a tömeggyártás szempontjából optimális értékek – ezeken kívül egyszerűen nem gazdaságos gyártani.

Hogyan néz ki tehát a mai motoros világ? Általánosságban:

• Egy 100 LE-s motornak általában négy hengere van
• Egy 200 LE-s motor általában négy, öt vagy hat hengerrel működik
• Egy 300 LE-s motor leggyakrabban nyolc hengert alkalmaz

De hogyan is lehet elrendezni ezeket a hengereket? Milyen elrendezési lehetőségek állnak a mérnökök rendelkezésére egy többhengeres motor tervezésekor? Nézzük meg részletesen.

Soros motorok: Egyszerű, de egyre kevésbé praktikus

Minden motortervező elsőszámú célja a konstrukció egyszerűsítése – az alacsony gyártási költségek és az egyszerű karbantartás érdekében. E tekintetben a soros (egyenes) motor verhetetlen. A hengerek egyetlen sorban helyezkednek el, és a kapacitás bővítése olyan egyszerű, mint újabb hengerek hozzáadása.

Íme, hogyan néz ki a soros motorok gyakorlati megvalósítása:

• A két- és háromhengeres motorok viszonylag ritkák személyautókban, bár a kéthengeres változat visszatérőben van a fejlett befecskendező rendszerek és a turbófeltöltés jóvoltából – a Fiat 500 85 LE-s turbós kéthengeres motorja kiváló példa erre.
• A soros négyhengeres a személyautók igáslova, 1,0 és 2,4 literes lökettérfogat között.
• A soros öthengeresek újabb fejlemények. A Mercedes-Benz úttörőként 1974-ben vezette be a dízel öthengest (a 300D a W123-as platformon), amelyet két évvel később az Audi kétliteres benzines öthengerese követett, majd a Volvo és a Fiat is csatlakozott az 1980-as évek végén.
• A soros hathengeresek, amelyek hosszú ideig az európai kedvencek voltak simaságuk miatt, egyre ritkábbá válnak. Még hosszabb testvérük, a soros nyolchengeres, az 1930-as években lényegében eltűnt.

Ennek a trendnek az oka egyszerű: minél több hengert adunk hozzá, annál hosszabb lesz a motor – és ez komoly beépítési nehézségeket okoz. Például egy soros hathengest keresztbe helyezni egy elsőkerék-hajtású motortérbe csak néhány esetben sikerült: az Austin Maxi 2200-nál (ahol a váltót a motor alá kellett bújtatni) és a Volvo S80-nál az ultrakompakt váltóval.

V-alakú és bokszermotorok: Kompakt, de bonyolult

Hogyan lehet rövidíteni egy soros motort? Az elegáns megoldás: felezzük félbe, tegyük egymás mellé a két felet, és hajtsunk meg egyetlen forgattyústengelyt mindkettővel. Ez a V-motor lényege.

A leggyakoribb V-motoros konfigurációknál a hengersorok között 60° vagy 90°-os szög van. Ha ezt a szöget egészen 180°-ig növeljük – a hengerek egyenesen ellentétes irányba mutatnak –, bokszermotor jön létre (innen a B2, B4, B6 jelölések).

A soros motorhoz képesti kompromisszumok jelentősek:

• Két hengerfejes – mindegyik saját tömítéssel és szívó/kipufogórendszerrel
• Több vezértengellyel és bonyolultabb szelepvezérlési elrendezéssel
• Nagyobb szélességgel (különösen bokszermotoroknál), ami korlátozza a beépíthetőséget
• Magasabb gyártási költséggel és összetettebb szervizeléssel

Ezen hátrányok miatt a bokszermotor csak néhány gyártónál jelenik meg – ma leginkább a Porschénál és a Subarunál.

Mi van akkor, ha a V-motort még kompaktabbá tesszük a szög 60° alá csökkentésével? Ez már megtörtént – a Lancia Fulvia az 1970-es években mindössze 23°-os szöggel rendelkező V4-est alkalmazott. Van azonban egy bökkenő: minél kisebb a szög, annál nehezebb kiegyensúlyozni a motort. Ez elvezet a motortervezés egyik legkritikusabb kihívásához.

Motorrezgés: Erők, nyomatékok és a megszelídítésük

Egyetlen dugattyús belső égésű motor sem teljesen rezgésmentes – ez a konstrukció velejárója. A rezgések kezelése azonban kritikus fontosságú, nemcsak az utazási komfort szempontjából. A súlyos kiegyensúlyozatlan rezgés fizikailag is tönkreteheti a motoralkatrészeket, és mindez katasztrofális következményekkel járhat, ha a magas fordulatszámon elrepülő részek szabaddá válnak.

Honnan ered a motorrezgés? Három fő forrás létezik:

• Egyenetlen gyújtási intervallumok – egyes motorkonfigurációknál a munkalokok nem teljesen egyenlő időközönként következnek be, ami nyomatékhullámot okoz. Egy nehezebb lendkerék segíthet ennek kiegyenlítésében.
• Dugattyú tehetetlenségi erők – ahogy a dugattyúk felfelé gyorsulnak és a felső holtponton lassulnak (és fordítva az alsó holtponton), tehetetlenségi erőket generálnak, hasonlóan ahhoz, amit egy fékezéskor vagy gyorsuló autóban érzünk.
• Hajtókar geometriája – a hajtókar nem egyenes vonalban mozog, és a dugattyú mozgása nem tökéletes szinuszgörbe, ami a forgattyústengely fordulatszámának többszörösén jelentkező további erőkomponenseket vezet be.

Ezek a magasabb rendű tehetetlenségi erők általában elhanyagolhatók – kivéve a másodrendű erőket, amelyek a forgattyústengely fordulatszámának kétszeresén hatnak, és mindig figyelembe kell venni őket. Amikor a szomszédos hengerek tehetetlenségi erői egymástól rögzített távolságon ellentétes irányban hatnak, erőnyomaték-párokat is generálnak, tovább növelve a bonyolultságot.

A mérnököknek két fő eszközük van ezekkel az erőkkel szemben:

• Eleve kiegyensúlyozott konfiguráció választása – a hengerek és a forgattyús csapok elrendezése olyan, hogy az erők és nyomatékok természetes módon kioltják egymást.
• Kiegyensúlyozó tengelyek alkalmazása – ellensúlyokkal ellátott másodlagos tengelyek, amelyek a forgattyústengellyel ellentétes irányban forognak, és egyenlő, ellentétes erőket generálnak. Ezek növelik a költségeket és a mechanikai bonyolultságot, de teljesen semlegesíthetik a problémás rezgési módokat.

Az összes általános motorkonfiguráció közül csak kettő elméletileg tökéletesen kiegyensúlyozott: a soros hathengeres és a bokszer-hathengeres. Pontosan ezért ragaszkodik ezekhez a konfigurációkhoz annyira kitartóan a BMW és a Porsche – és ezért vonakodnak mások is lemondani róluk a beépítési nehézségek ellenére.

Motoregyensúly konfiguráció szerint: Gyakorlati útmutató

Nézzük meg, hogyan teljesít a valóságban az egyes főbb motorkonfigurációk rezgés és kiegyensúlyozottság szempontjából.

Kéthengeres soros motorok (azonos irányba forgó forgattyúkkal) kiegyensúlyozottság tekintetében hasonlóan viselkednek az egyhengeres motorhoz – mindkét dugattyú azonos fázisban emelkedik és süllyed. Az orosz Oka két ellentétesen forgó kiegyensúlyozó tengellyel kezelte az elsőrendű tehetetlenségi erőket, de a másodrendű erőket figyelmen kívül hagyták. Két további kiegyensúlyozó tengely hozzáadása teljesen kivitelezhetetlen lett volna egy ilyen kis, megfizethető autóban. Sok kéthengeres motor – mint az eredeti 1957-es Fiat 500 és az indiai Tata Nano – egyáltalán nem alkalmazott kiegyensúlyozó tengelyeket, hanem rugalmas motortartókra támaszkodott a rezgések elnyelésére. Olcsó, egyszerű és elfogadható költségkímélő alkalmazásoknál.

180°-os forgattyúelrendezésű kéthengeres motorok (ellentétes fázisban mozgó dugattyúkkal) jobb elsőrendű egyensúlyt kínálnak, de egyenletes gyújtási intervallumokat csak kétütemű kivitelben érhetnek el – ahogy azt a háború előtti DKW-k és utódjuk, a kelet-német Trabant is alkalmazta.

V-ikermotorok ma szinte kizárólag motorkerékpárokon élnek tovább – a Harley-Davidson és japán utánzói a nyilvánvaló példák. Az NAMI-1 szinte az egyetlen személyautó, amely valaha is ezt az elrendezést alkalmazta. A forgattyústengely ellensúlyai közel hozhatják a teljes kiegyensúlyozottsághoz, de az egyenletes gyújtási intervallumok elérése lehetetlen.

A háromhengeres motorok kiegyensúlyozottság szempontjából rosszabbak a soros négyhengeresnél. Olyan gyártók, mint a Subaru és a Daihatsu, alapfelszereltségként kiegyensúlyozó tengelyeket alkalmaznak; az Opel döntése, hogy kihagyta ezt a második generációs Corsa Ecotec háromhengeres motorjából, megtakarított ugyan némi költséget, de a kocsit rossz hírnévvel ruházta fel a német autós sajtóban az 1996-os debüt után – „teljesen lehetetlen városi forgalomban változó üzemmódban vezetni” jellemzéssel illették.

A soros négyhengeresek – a világ leggyakoribb elrendezése – szabad másodrendű tehetetlenségi erővel rendelkeznek, amelyet csak a forgattyústengely kétszeres sebességén forgó kiegyensúlyozó tengely semlegesíthet. A keletkező nyomaték kioltásához egy második, ellentétesen forgó tengely szükséges. Drága, igen – de a Mitsubishi, a Saab, a Ford, a Fiat és a Volkswagen csoport márkái mind alkalmazták ezt a megoldást, ahol a finomság megkövetelte.

A bokszer-négyhengeresek valamivel jobban teljesítenek soros megfelelőiknél – csak egy másodrendű nyomatékpár marad, amely a motort a függőleges tengelye körül törekszik elfordítani. Ennek ellenére mind a légűtéses Bogár-motor, mind a Subaru bokszeregységei évtizedekig kiegyensúlyozó tengelyek nélkül üzemeltek.

A soros öthengeresek kompenzált elsőrendű tehetetlenségi erőkkel rendelkeznek, de gördülő hajlítónyomaték terheli a blokkot – ez kivételesen merev szerkezetet igényel. A Mercedes-Benz, az Audi és a Volvo kifinomított motortartókkal és ellensúlyokkal (például az Audi TT RS kompresszoros 2,5 TFSI motorja esetén) kezelte ezt, míg a Fiat mérnökei tovább mentek és teljes kiegyensúlyozó tengelyt alkalmaztak.

Egy érdekes érdekesség: szinte minden öthengest lényegében egy négyhengeres motorból alakítottak ki egy extra henger hozzáadásával. Ez a moduláris megközelítés lehetővé teszi a dugattyúk, hajtókarok és szelepvezérlő elemek megosztását – csak a blokk, a hengerfej és a forgattyústengely (72°-os csapközökkel) tér el.

A soros hathengerest felváltó V6-os motorok ugyanolyan egyensúlyi jellemzőkkel rendelkeznek, mint a háromhengeres – ami azt jelenti, hogy nem ideálisak. Az első Mercedes-Benz V6 (az M112, hengerenként három szeleppel) a hengersorok között elhelyezett kiegyensúlyozó tengellyel kezelte ezt. A PSA csoport háromlitreres hathengerese az egyiket a hengerfejen helyezte el. Más gyártók gondos forgattyúcsap-eltolással éltek – ahogy az Audi V6-nál látható –, hogy rezgés nélkül minimalizálják a komplexitást. A 90°-os szögű V6-motorok további fejfájást okoznak: eleve egyenetlen gyújtási intervallumok, amelyeket a súlyozott lendkerék csak részben tud kiegyenlíteni.

A 90°-os hengersorszöggel és két egymásra merőleges síkban elhelyezett forgattyúcsapokkal rendelkező V8-as motorok nagyon jól kiegyensúlyozottak. Az egyenletes gyújtási intervallumok elérhetők, és csak két maradék nyomatékpár maradt – ezeket a forgattyústengely végső csapjain lévő ellensúlyok könnyen kezelik. Ez nagy részben megmagyarázza, miért fogadták oly lelkesen az amerikai mérnökök a V8-at: egyszerűen nem tolerálják a rezgést.

A V4-es motorok ritkák voltak és ma már szinte teljesen eltűntek a személyautókból. Az európai Ford V4 (a Taunusban, a Capriban és a Saab 96-ban alkalmazva) és a Zaporozsec sajátos V4-ese egyaránt kiegyensúlyozó tengelyt igényelt az elsőrendű nyomatékpárokhoz. A kompaktság és a költség volt a meghatározó tényező – az egyensúly másodlagos volt.

A V10-es motorok ugyanolyan egyensúlyi jellemzőkkel rendelkeznek, mint a soros öthenges. Ez nem akadályozta meg a Formula–1-es motorok, a Dodge Viper vagy a Dodge RAM tervezőit ezek alkalmazásában – ha teljesítményre van szükség, a rezgést kezelni kell.

Ami az egzotikusabb elrendezéseket illeti: a bokszer-nyolchengeres (ahogy a Porsche 917-es versenyautóban is alkalmazták) lényegében két közös forgattyútengelyre szerelt bokszer-négyhenges, míg a V12 és bokszer-12 motorok két soros hathengesre redukálhatók – ami megmagyarázza kivételes simaságukat.

VR6, VR5 és W-motorok: A Volkswagen csomagolástechnikai bravúrja

Korábban már szóba kerültek a szűk szögű V-motorok, mint a Lancia Fulvia példája. Évtizedeken át kerülték ezeket – nehezebben kiegyensúlyozhatók, mint a 60° vagy 90°-os elrendezések, és a csomagolási előnyök nem látszottak megérni a fáradságot. Aztán megváltoztak a prioritások.

Két fejlemény változtatta meg a helyzetet:

• A hidraulikus motortartók széles körben elérhetővé váltak, és drámaian csökkentik a rezgésátvitelt a motor elméleti egyensúlyától függetlenül.
• A motorháztető alatti tér egyre szűkösebbé vált, így a kompaktság felértékelődött. Ki gondolta volna, hogy egy szerény kisautóban 2,8 literes hathengeres motor rejtőzik? A Volkswagen megvalósította.

A Volkswagen VR6 – ahol a „VR” a V-Reihen (V-soros) rövidítése – a szűk szög koncepcióját tovább viszi, mint valaha a Lancia, mindössze 15°-os szöget alkalmazva a hengersorok között. Az eredmény annyira kompakt, hogy lényegében eltolt elrendezésű soros motorként működik, és figyelemreméltó módon egyetlen hengerfejet alkalmaz mindkét hengersorhoz. Egy 2,8 literes hathengeres motor, amely beférne oda, ahova egy hagyományos V6 nem – a harmadik generációs Volkswagen Golfban debütált.

Ezután a Volkswagen mérnökei tovább fejlesztették a koncepciót:

• A VR5 a VR6-ból lett elvéve egy hengerrel.
• A W8 két rövidített VR-egységet (négy hengerrel mindegyik) kombinál egyetlen forgattyútengelyen – a csúcs Passat szedánba szerelték.
• A W12 1998-ban debütált a W12 Roadster koncepcióautóban: két VR6-os motor 72°-os szögben, egyetlen forgattyútengelyen összekapcsolva.
• A W16 – négy turbófeltöltővel – a Bugatti Veyronnál 431 km/h sebességet tesz lehetővé, és ez az architektúra legszélsőségesebb sorozatgyártású alkalmazása.

Miért nem léteztek korábban ezek az elrendezések? A modern számítógépes tervezés tette lehetővé őket. Az ilyen összetett geometriákon belül az szögek, a forgattyúcsap-pozíciók, a gyújtási sorrend és az egyensúlyi jellemzők optimalizálása szinte lehetetlen lett volna az 1990-es évektől elérhető számítási teljesítmény nélkül. Magának a W12-es forgattyústengelynek a megmunkálása is rémálom egy géplakatosnak – ez az a fajta alkatrész, amelynek csak akkor van értelme, ha egy számítógép ellenőrizte az összes tűrést.

Ami valóban számít a valódi motortervezésben

Ha mindebből van egy tanulság, az az, hogy az elméleti egyensúly ritkán a döntő tényező, amikor egy mérnök motorkonfigurációt választ. A valódi prioritások:

• Beépíthetőség – belefér-e a motorházba?
• Tömeg és teljesítménysűrűség – mi a legjobb arány az adott alkalmazáshoz?
• Gyártási költség – megoszthat-e alkatrészeket a modellcsalád között?
• Modularitás – egyre inkább, a gyártók teljes motorcsaládokat építenek közös dugattyú- és hengerarchitektúrára, a háromhengeres gazdasági egységektől egészen a tizenkét hengeres csúcsmodellek

A Mercedes-Benz jelenlegi motorválasztéka tankönyvszerű példája a moduláris megközelítésnek: egy közös architektúra alapoz meg motorokat egymástól nagyon eltérő teljesítményszinteken és hengerszámokon.

Ami a rezgést illeti – érdemes emlékezni arra, hogy az elméleti és a tényleges egyensúly két nagyon különböző dolog. Még egy tökéletesen kiegyensúlyozott soros hathengeres is rezeg, ha a forgattyústengely-összeállítás nincs megfelelően kiegyensúlyozva, vagy ha a dugattyúk és hajtókarok súlya észrevehetően eltér egymástól. A valóságban a gyártási tűrések és a terhelés alatti alkatrész-deformációk azt jelentik, hogy egyetlen motor sem olyan sima a gyakorlatban, mint az egyenletek alapján várható lenne. Ezért a motortartók tervezése – ahogy az erőforrást elszigetelik az autó többi részétől – ugyanolyan fontos, mint maga az elrendezés. Néha még fontosabb is.

Ez egy fordítás. Az eredetit itt olvashatja: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html