Motora konfigurācija izskaidrota: taisnā, V-veida un plakanie dzinēji

20. gadsimta sākumā, kad automobiļu inženierija attīstījās pilnā sparā, 10 litru dzinējs varēja būt gan viencilindru agregāts, gan, teiksim, taisnais astoņcilindru dzinējs. Tajā laikā neviens pat neaizdomājās par 23 litru taisno sešcilindru vai septiņcilindru radiālo aviācijas dzinēju, kas pārtapis par automašīnas sirdi.

Masveida ražošanai paplašinoties un izmaksu spiedienam pieaugot, viss nostājās savās vietās. Viencilindru dzinējs kļuva par pagātnes reliktu. Mūsdienās vidējais cilindra darba tilpums parastā automašīnas dzinējā ir no 300 līdz 600 kubikcentimetriem, bet specifiskā jauda svārstās no aptuveni 35 ZS/l dabīgi aspirētā dīzeļdzinējā līdz 100 ZS/l augstas veiktspējas benzīna dzinējā. Tās ir optimālās vērtības masveida ražošanai — ārpus tām vienkārši nav ekonomiski.

Kā izskatās mūsdienu dzinēju ainava? Vispārīgi runājot:

• 100 ZS dzinējam parasti ir četri cilindri
• 200 ZS dzinējs visbiežāk darbojas ar četriem, pieciem vai sešiem cilindriem
• 300 ZS dzinējs parasti izmanto astoņus cilindrus

Bet kā šos cilindrus var izvietot? Kādas izkārtojuma iespējas ir inženieriem, projektējot daudzcilindru dzinēju? Izanalizēsim to sīkāk.

Taisnie dzinēji: vienkārši, bet arvien nepraktiskāki

Galvenais jautājums jebkuram dzinēja konstruktoram ir tas, kā vienkāršot konstrukciju — saglabāt zemas ražošanas izmaksas un vienkāršu apkopi. Šajā ziņā rindu (taisnais) dzinējs uzvar ar uzviju. Cilindri ir izvietoti vienā rindā, un jaudas palielināšana ir tikpat vienkārša kā papildu cilindru pievienošana.

Lūk, kā praksē iedalās rindu dzinēju varianti:

• Divu un trīs cilindru dzinēji automašīnās ir salīdzinoši reti sastopami, lai gan divcilindru formāts piedzīvo atdzimšanu, pateicoties modernai degvielas iesmidzināšanai un turbopūšanai — par lielisku piemēru var kalpot 85 ZS turbopūsts divcilindru dzinējs Fiat 500.
• Taisnais četrcilindru ir vieglbraucienu automašīnu pasaules darba zirgs, aptverot darba tilpumus no 1,0 līdz 2,4 litriem.
• Taisnie pieccilindru dzinēji ir salīdzinoši jauns risinājums. Mercedes-Benz bija pieccilindru dīzeļdzinēja pionieris 1974. gadā (300D uz W123 platformas), pēc tam divus gadus vēlāk sekoja Audi divu litru benzīna pieccilindru, un 1980. gadu beigās pievienojās Volvo un Fiat.
• Taisnie sešcilindru dzinēji, kas Eiropā ilgstoši tika uzskatīti par iecienītāko risinājumu savas vienmērīgas darbības dēļ, kļūst arvien retāk sastopami. To garākais radinieks — taisnais astoņcilindru — praktiski tika pamests jau 1930. gados.

Šīs tendences iemesls ir vienkāršs: jo vairāk cilindru pievienojat, jo garāks kļūst dzinējs — un tas rada nopietnas problēmas ar izvietojumu. Taisna sešcilindru dzinēja šķērsenisku ievietošanu priekšējo riteņu piedziņas dzinēja nodalījumā izdevies panākt tikai dažos gadījumos: Austin Maxi 2200 (kur ātrumkārbai bija jābūt novietotai zem dzinēja) un Volvo S80 ar tā īpaši kompakto ātrumkārbu.

V-veida un plakanie dzinēji: kompakti, bet sarežģīti

Kā tad saīsināt rindu dzinēju? Elegants risinājums: sadalīt to uz pusēm, novietot abas puses blakus un vadīt vienu kloķvārpstu ar abām. Tas ir V-veida dzinēja pamatprincips.

Visizplatītākajās V-veida dzinēju konfigurācijās tiek izmantots 60° vai 90° leņķis starp cilindru blokiem. Palielinot šo leņķi līdz 180° — cilindri vērsti tieši viens pret otru — iegūst plakano dzinēju, ko dēvē arī par boksera dzinēju (no šejienes arī apzīmējumi B2, B4, B6).

Salīdzinājumā ar taisno dzinēju kompromisi ir ievērojami:

• Divas cilindru galvas — katra ar savu blīvi un kolektoriem
• Vairāk sadales vārpstu un sarežģītāks vārstu piedziņas mehānisms
• Lielāks platums (īpaši plakaniem dzinējiem), kas ierobežo to uzstādīšanas iespējas
• Augstākas ražošanas izmaksas un sarežģītāka apkope

Šo trūkumu dēļ plakanos dzinējus izmanto tikai neliels skaits ražotāju — no mūsdienās pazīstamākajiem var minēt Porsche un Subaru.

Ko darīt, ja V-veida dzinēju vēlas padarīt vēl kompaktāku, samazinot leņķi zem 60°? Tas ir ticis darīts — Lancia Fulvia 1970. gados izmantoja V4 ar tikai 23° leņķi. Taču ir viena problēma: jo šaurāks leņķis, jo grūtāk dzinēju balansēt. Tas mūs noved pie viena no kritiskākajiem dzinēju projektēšanas izaicinājumiem.

Dzinēja vibrācija: spēki, momenti un to ierobežošana

Neviens virzuļa iekšdedzes dzinējs nav pilnīgi brīvs no vibrācijas — tā ir raksturīga šāda tipa konstrukcijai. Taču vibrācijas kontrole ir ārkārtīgi svarīga ne tikai pasažieru komforta nodrošināšanai. Smaga nelīdzsvarota vibrācija var fiziski iznīcināt dzinēja detaļas ar visām katastrofālajām sekām, ko rada augstā ātrumā atbrīvotas daļas.

No kurienes rodas dzinēja vibrācija? Ir trīs galvenie avoti:

• Nevienmērīgi aizdedzes intervāli — dažās dzinēju konfigurācijās degtaktis nenotiek ar pilnīgi vienādiem intervāliem, radot griezes momenta pulsāciju. Smagāks spararats var palīdzēt to izlīdzināt.
• Virzuļa inerces spēki — virzuļiem paātrinoties uz augšu un palēninoties gājiena augšējā punktā (un otrādi apakšā), tie rada inerces spēkus, kas līdzīgi tiem, ko izjūtat, kad automašīna bremzē vai paātrinās.
• Šatūna ģeometrija — šatūns nepārvietojas taisnā līnijā, un virzuļa kustība nav ideāla sinusoīda, kas ievieš papildu spēku komponentes kloķvārpstas ātruma daudzkārtņos.

Šie augstākās kārtas inerces spēki parasti ir nenozīmīgi — izņemot otrās kārtas spēkus, kas darbojas ar divkāršu kloķvārpstas frekvenci un vienmēr jāņem vērā. Ja inerces spēki blakus esošajos cilindros darbojas pretējos virzienos fiksētā attālumā viens no otra, tie rada arī griezes momenta pārus, pievienojot vēl vienu sarežģītības slāni.

Inženieriem ir divi galvenie instrumenti šo spēku apkarošanai:

• Izvēlēties konstruktīvi balansētu konfigurāciju — izvietot cilindrus un kloķvārpstas metienus tā, lai spēki un momenti dabiski kompensētu viens otru.
• Pievienot balansēšanas vārpstas — sekundārās vārpstas ar pretsvaru, kas griežas pretējā virzienā kloķvārpstai, radot vienādus un pretējus spēkus. Tas palielina izmaksas un mehānisko sarežģītību, taču var pilnībā neitralizēt problemātiskos vibrācijas veidus.

No visiem izplatītākajiem dzinēju izkārtojumiem tikai divi ir teorētiski pilnīgi balansēti: taisnais sešcilindru un plakans sešcilindru. Tieši tāpēc BMW un Porsche tik neatlaidīgi ir pieturējušies pie šīm konfigurācijām — un tāpēc citi vilcinājušies no tām atteikties, neskatoties uz izvietojuma problēmām.

Dzinēja balansēšana pēc konfigurācijas: praktiska rokasgrāmata

Apskatīsim, kā katra galvenā dzinēja konfigurācija darbojas reālajā pasaulē no vibrācijas un balansēšanas viedokļa.

Divcilindru taisnie dzinēji (kloķi vienā virzienā) balansēšanas ziņā uzvedas līdzīgi viencilindru dzinējam — abi virzuļi ceļas un krītas vienā fāzē. Krievijas Oka izmantoja divas pretgriežas balansēšanas vārpstas, lai tiktu galā ar pirmās kārtas inerces spēkiem, taču otrās kārtas spēki palika nekontrolēti. Divu papildu balansēšanas vārpstu pievienošana būtu bijusi pilnīgi nepraktiska uz tik mazas un pieejamas automašīnas. Daudzi divcilindru dzinēji — piemēram, oriģinālais 1957. gada Fiat 500 un Indijas Tata Nano — vienkārši darbojās bez jebkādām balansēšanas vārpstām, paļaujoties uz elastīgiem dzinēja balstiem, lai absorbētu vibrāciju. Lēts, vienkāršs un pieņemams budžeta klases automašīnām.

Divcilindru dzinēji ar kloķiem 180° (virzuļi kustās pretfāzē) nodrošina labāku primāro balansēšanu, taču vienmērīgus aizdedzes intervālus var sasniegt tikai divtaktu formātā — kā tas bija pirmskara DKW automašīnās un to pēctečos — Austrumvācijas Trabant.

V-veida divcilindru dzinēji mūsdienās pastāv gandrīz tikai motociklos — Harley-Davidson un tā japāņu atdarinātāji ir acīmredzamākie piemēri. NAMI-1 ir praktiski vienīgā automašīna, kas jebkad izmantojusi šo izkārtojumu. Kloķvārpstas pretsvari var panākt gandrīz pilnīgu balansēšanu, taču vienmērīgi aizdedzes intervāli paliek nesasniedzami.

Trīscilindru dzinēji ir sliktāk balansēti nekā taisnais četrcilindru. Tādi ražotāji kā Subaru un Daihatsu uzstāda balansēšanas vārpstas kā standartu; Opel lēmums no tās atteikties Ecotec trīscilindru dzinējā otrās paaudzes Corsa ietaupīja izmaksas, taču automašīnai izpelnījās sliktu reputāciju Vācu automobiļu presē pēc tās 1996. gada debijas — tā tika raksturota kā “pilnīgi neiespējama braukšanai pilsētā mainīgos režīmos.”

Taisnie četrcilindru dzinēji — visizplatītākais izkārtojums pasaulē — satur brīvu otrās kārtas inerces spēku, ko var neitralizēt tikai ar balansēšanas vārpstu, kas griežas divreiz ātrāk par kloķvārpstu. Lai kompensētu radušos griezes momentu, ir nepieciešama otra pretgriežas vārpsta. Tas ir dārgi — taču Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat un Volkswagen Group zīmoli visi ir izmantojuši šo risinājumu, kad to prasīja komforta standarti.

Plakanā četrcilindru dzinēji nedaudz pārspēj savus rindu kolēģus — paliek tikai otrās kārtas griezes momenta pāris, kas cenšas šūpot dzinēju ap vertikālo asi. Pat tā gan gaisa dzesētais Beetle dzinējs, gan Subaru boksera agregāti gadu desmitiem ir iztikuši bez balansēšanas vārpstām.

Taisnie pieccilindru dzinēji ir kompensēti primārie inerces spēki, taču cieš no šūpojoša lieces momenta, kas pastāvīgi pārvietojas pa bloku — prasot ārkārtīgi stingru konstrukciju. Mercedes-Benz, Audi un Volvo ar to tika galā, izmantojot pilnveidotus dzinēja balstus un pretsvarus (piemēram, kompresora 2,5 TFSI Audi TT RS), savukārt Fiat inženieri gāja tālāk un izmantoja pilnvērtīgu balansēšanas vārpstu.

Viena interesanta piezīme: gandrīz visi pieccilindru dzinēji būtībā ir četrcilindru dzinēji ar vienu papildu cilindru. Šī moduļu pieeja ļauj koplietot virzuļus, šatūnus un gāzu sadales mehānisma komponentes — jāmaina ir tikai bloks, galvbāze un kloķvārpsta (ar mešanu 72° intervālos).

V6 dzinēji, kas aizstāja taisnos sešcilindrus, kopīgo tās pašas balansēšanas īpašības kā trīscilindru dzinējs — kas nozīmē, ka tās nav ideālas. Pirmais Mercedes-Benz V6 (M112, ar trim vārstiem uz cilindru) to risināja ar balansēšanas vārpstu, kas novietota ielejā starp cilindru blokiem. PSA Group trīs litru sešcilindru novietoja to cilindra galvā. Citi ražotāji izvēlējās rūpīgu kloķvārpstas tapas nobīdi — kā redzams Audi V6 — lai minimizētu vibrāciju bez papildu sarežģītības. V6 dzinēji ar 90° leņķi starp blokiem rada papildu problēmu: konstruktīvi nevienmērīgus aizdedzes intervālus, kurus svērts spararats var tikai daļēji izlīdzināt.

V8 dzinēji ar 90° leņķi starp blokiem un kloķvārpstas mešanu divos savstarpēji perpendikulāros plaknes ir ļoti labi balansēti. Vienmērīgi aizdedzes intervāli ir sasniedzami, un paliek tikai divi atlikušie griezes momenta pāri — viegli novēršami ar pretsvaru uz kloķvārpstas gala balstiem. Tas ir viens no iemesliem, kāpēc amerikāņu inženieri tik entuziasma pilni pieņēma V8: viņi vienkārši nepieļauj vibrāciju.

V4 dzinēji bija reti un mūsdienās automašīnās ir gandrīz izzuduši. Eiropas Ford V4 (izmantots Taunus, Capri un Saab 96) un Zaporožeca savdabīgais V4 abi prasīja balansēšanas vārpstu pirmās kārtas griezes momenta pāriem. Galvenie faktori bija kompaktums un izmaksas — balansēšana bija otrajā vietā.

V10 dzinējiem ir tādas pašas balansēšanas īpašības kā taisnajam pieccilindrum. Tas netraucēja Formulas 1 dzinēju, Dodge Viper vai Dodge RAM konstruktoriem tos izmantot — kad nepieciešama jauda, tiek pārvaldīta vibrācija.

Runājot par eksotiskākiem izkārtojumiem: plakanais astoņcilindru (kā izmantots Porsche 917 sacīkšu automašīnās) būtībā ir divi plakanā četrcilindru dzinēji uz kopīgas kloķvārpstas, savukārt V12 un plakanā divpadsmitcilindru dzinēji reducējas uz diviem taisniem sešcilindriem — kas izskaidro to izcilo vienmērīgumu.

VR6, VR5 un W-dzinēji: Volkswagen iepakojuma šedevrs

Mēs pieskārāmies šaura leņķa V-veida dzinējiem, piemēram, Lancia Fulvia, iepriekš. Gadu desmitiem no tiem izvairījās — grūtāk balansēt nekā 60° vai 90° izkārtojumus, un iepakojuma ieguvumi nešķita vērti nepatikšanas. Tad prioritātes mainījās.

Divi notikumi mainīja spēles noteikumus:

• Hidrauliskie dzinēju balsti kļuva plaši pieejami, dramatiski samazinot vibrācijas pārnesi neatkarīgi no dzinēja teorētiskā balansa.
• Vieta zem motora pārsega kļuva arvien ierobežotāka, padarot kompaktumu par augstvērtīgu īpašību. Kurš gan būtu iedomājies, ka pieticīgs hečbeks slēpj 2,8 litru sešcilindru dzinēju? Volkswagen to īstenoja.

Volkswagen VR6 — kur “VR” apzīmē V-Reihen (V-rinda) — attīsta šaura leņķa koncepciju tālāk, nekā jebkad Lancia to izdarīja, izmantojot tikai 15° leņķi starp blokiem. Rezultāts ir tik kompakts, ka faktiski darbojas kā nobīdīts rindu dzinējs, un, kas ievērojami, izmanto vienu cilindra galvu abiem blokiem. 2,8 litru sešcilindru dzinējs, kas ietilpst tur, kur parasts V6 neietilptu — debija notika trešās paaudzes Volkswagen Golf.

No turienes Volkswagen inženieri attīstīja koncepciju tālāk:

• VR5 parādījās kā VR6 ar vienu noņemtu cilindru.
• W8 apvienoja divas saīsinātas VR vienības (katra ar četriem cilindriem) uz vienas kloķvārpstas — uzstādīts flagmaņa Passat sedanā.
• W12 debijā 1998. gadā uz W12 Roadster koncepta: divi VR6 dzinēji savienoti 72° leņķī uz vienas kloķvārpstas.
• W16 — ar četriem turbokompressoriem — dzen Bugatti Veyron līdz 431 km/h, padarot to par viskrāšņāko ražošanas pielietojumu šai arhitektūrai.

Kāpēc šādi izkārtojumi nepastāvēja agrāk? Mūsdienu datorizētā projektēšana tos padarīja iespējamus. Iekļaustā leņķa, kloķvārpstas tapas pozīciju, aizdedzes secības un balansēšanas īpašību optimizācija tik sarežģītās ģeometrijās būtu bijusi praktiski neiespējama bez skaitļošanas jaudas, kas kļuva pieejama no 1990. gadiem. Vien W12 kloķvārpsta ir frēzētāja murgs — tāda detaļa, kas ir saprātīga tikai tad, kad dators ir pārbaudījis katru toleranci.

Kas patiesībā nozīmē reālā dzinēja projektēšanā

Ja no visa šī ir kaut viena atziņa, tad tā ir — teorētiskais balanss reti ir izšķirošais faktors, kad inženieris izvēlas dzinēja izkārtojumu. Reālās prioritātes ir:

• Izvietojums — vai tas ietilpst dzinēja nodalījumā?
• Svars un jaudas blīvums — kāda ir labākā proporcija konkrētajam pielietojumam?
• Ražošanas izmaksas — vai tas var koplietot komponentes visā modeļu klāstā?
• Modularitāte — arvien vairāk ražotāju veido veselas dzinēju saimes no kopīgas virzuļa un cilindra urbuma arhitektūras, sākot no trīscilindru ekonomiskajiem agregātiem līdz divpadsmitcilindru flagmaņiem

Mercedes-Benz pašreizējais dzinēju klāsts ir mācību grāmatas piemērs moduļu pieejai: kopīga arhitektūra ir pamats dzinējiem ar ļoti atšķirīgu jaudu un cilindru skaitu.

Runājot par vibrāciju — vērts atcerēties, ka teorētiskais un faktiskais balanss ir divas ļoti atšķirīgas lietas. Pat perfekti balansēts taisnais sešcilindru trīcēs, ja tā kloķvārpstas komplekts nav pienācīgi balansēts vai ja tā virzuļi un šatūni ievērojami atšķiras svara ziņā. Reālie ražošanas tolerances un komponentu deformācija noslodzes apstākļos nozīmē, ka neviens dzinējs praksē nekad nav tikpat vienmērīgs, kā vienādojumi liecina. Tāpēc dzinēja balstu projektēšana — veids, kādā agregāts tiek izolēts no pārējās automašīnas — ir tikpat svarīga kā pats izkārtojums. Dažreiz pat svarīgāka.

Šis ir tulkojums. Oriģinālu varat lasīt šeit: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html