Конфигурација на мотори: Редни, V-образни и рамни мотори

На почетокот на 20-тиот век, кога автомобилската техника напредуваше со полна пара, мотор со 10 литри можеше да биде или едноцилиндричен агрегат или, на пример, редна осмица. Тогаш никој не му мижеше окото на редна шестица со 23 литри или на седумцилиндричен радијален авионски мотор пресаден во автомобил.

Со ширењето на масовното производство и засилувањето на притисокот за намалување на трошоците, сè дојде на свое место. Едноцилиндричниот мотор стана реликт од минатото. Денес, просечната зафатнина на цилиндарот во конвенционален автомобилски мотор изнесува помеѓу 300 и 600 кубни сантиметри, а специфичната моќност се движи од околу 35 КС/л кај природно аспириран дизел до 100 КС/л кај високоперформансен бензински мотор. Ова се оптималните вредности за масовно производство — надминувањето на овие граници едноставно не е економично.

Значи, каква е сликата на современите мотори? Генерално кажано:

• Мотор со 100 КС обично има четири цилиндри
• Мотор со 200 КС најчесто работи со четири, пет или шест цилиндри
• Мотор со 300 КС обично користи осум цилиндри

Но како всушност можат да бидат распоредени тие цилиндри? Какви опции за распоред имаат инженерите при проектирање на повеќецилиндричен мотор? Да ги разгледаме.

Редни мотори: Едноставни, но сè попрактично неприменливи

Прашањето број еден во умот на секој конструктор на мотори е како да се поедностави конструкцијата — одржувајќи ги ниски производствените трошоци и едноставно одржувањето. Во тој поглед, редниот (правиот) мотор победува без конкуренција. Цилиндрите се наредени во еден ред, а зголемувањето на зафатнината е едноставно колку додавање на нови цилиндри.

Еве како изгледаат варијантите на редните мотори во пракса:

• Двоцилиндричните и троцилиндричните мотори се релативно ретки во автомобилите, иако двоцилиндричниот формат доживува враќање благодарение на напредното вбризгување гориво и турбопунење — двоцилиндричниот турбопунет мотор од 85 КС во Фиат 500 е одличен пример.
• Редната четирица е работен коњ на светот на патнички автомобили, покривајќи зафатнини од 1,0 до 2,4 литри.
• Редните петцилиндрични мотори се понов развој. Мерцедес-Бенц го воведе дизел петцилиндарот во 1974 година (300D на платформата W123), по него дојде Аудиевиот двоитарски бензински петцилиндар две години подоцна, а потоа Волво и Фиат се приклучија кон крајот на 1980-тите.
• Редните шестици, долго омилени во Европа поради својата мазност, стануваат сè поретки. Нивниот уште подолг брат, редната осмица, беше практично напуштена уште во 1930-тите.

Причината за овој тренд е јасна: колку повеќе цилиндри се додаваат, толку подолг станува моторот — а тоа создава сериозни проблеми со сместувањето. Поставувањето на редна шестица попречно во моторниот простор на автомобил со предни погонски тркала, на пример, е остварено само во неколку случаи: Остин Макси 2200 (кој бараше менувачот да биде сместен под моторот) и Волво С80 со неговиот ултра-компактен менувач.

V-образни и рамни мотори: Компактни, но сложени

Значи, како да се скрати редниот мотор? Елегантното решение: поделете го на половина, поставете ги двете половини една до друга и задвижувајте еден радилец со двете. Тоа е суштината на V-моторот.

Најчестите конфигурации на V-мотори користат вклучен агол од 60° или 90° помеѓу редовите цилиндри. Зголемете го тој агол до 180° — цилиндрите покажуваат директно еден од друг — и добивате рамен мотор, познат и како боксер мотор (оттука и ознаките B2, B4, B6).

Компромисите во споредба со редниот мотор се значајни:

• Две цилиндарски глави — секоја со своја заптивка и колектори
• Повеќе брегасти осовини и посложен распоред на задвижувањето на вентилите
• Поголема ширина (особено кај рамните мотори), која ги ограничува местата каде можат да се инсталираат
• Повисоки производствени трошоци и посложено сервисирање

Поради овие недостатоци, рамните мотори ги користат само мал број производители — Порше и Субару се најзабележителните денес.

Што ако се направи V-моторот уште покомпактен со намалување на аголот под 60°? Тоа е веќе направено — Ланча Фулвија од 1970-тите имаше V4 со само 23° агол. Но постои еден проблем: колку е потесен аголот, толку е потешко да се балансира моторот. Со тоа доаѓаме до еден од најкритичните предизвици во конструкцијата на мотори.

Вибрации на моторот: Сили, моменти и како да се совладаат

Ниеден клипен мотор со внатрешно согорување не е целосно ослободен од вибрации — тоа е својствено за конструкцијата. Но управувањето со вибрациите е критично, не само за удобност на патниците. Сериозните небалансирани вибрации можат физички да ги уништат деловите на моторот, со сите катастрофални последици кои доаѓаат кога делови летаат при голема брзина.

Од каде потекнуваат вибрациите на моторот? Постојат три главни извори:

• Нерамномерни интервали на паљење — во некои конфигурации на мотори, работните тактови не се активираат на совршено рамномерни интервали, создавајќи бранување на моментот. Потешкото замајче може да помогне да се изглади ова.
• Инерцијални сили на клипот — додека клипите забрзуваат нагоре и забавуваат на врвот на нивниот ход (и обратно на дното), генерираат инерцијални сили слични на она што го чувствувате кога автомобилот коси или забрзува.
• Геометрија на биелата — биелата не патува по права линија, а движењето на клипот не е совршена синусоида, што воведува дополнителни компоненти на силата при кратни на брзината на радилецот.

Овие инерцијални сили од повисок ред се генерално занемарливи — освен силите од втор ред, кои делуваат на двојната фреквенција на радилецот и мора секогаш да се земат предвид. Кога инерцијалните сили во соседните цилиндри делуваат во спротивни насоки на фиксно растојание едни од други, тие исто така генерираат момент парови, додавајќи уште еден слој на сложеност.

Инженерите имаат два главни алати за борба против овие сили:

• Изберете инхерентно балансирана конфигурација — распоредете ги цилиндрите и зафатите на радилецот така што силите и моментите се поништуваат природно.
• Додадете балансни осовини — секундарни осовини со противтежи кои се вртат во спротивна насока од радилецот, генерирајќи еднакви и спротивни сили. Овие додаваат трошоци и механичка сложеност, но можат целосно да ги неутрализираат проблематичните режими на вибрација.

Од сите вообичаени распореди на мотори, само два се теоретски совршено балансирани: редната шестица и рамната шестица. Токму затоа БМВ и Порше толку цврсто се држат за овие конфигурации — и затоа другите се двоумат да ги напуштат и покрај предизвиците со сместувањето.

Балансирање на моторот по конфигурација: Практичен водич

Да видиме како се снаоѓа секоја главна конфигурација на мотори во реалниот свет кога станува збор за вибрации и балансирање.

Двоцилиндричните редни мотори (ракери во иста насока) се однесуваат слично на едноцилиндричен во однос на балансот — двата клипа се движат нагоре и надолу во фаза. Рускиот Ока користеше две контра-ротирачки балансни осовини за справување со инерцијалните сили од прв ред, но силите од втор ред беа оставени неконтролирани. Додавањето на уште две балансни осовини би било целосно непрактично на толку мал и пристапен автомобил. Многу двоцилиндрични мотори — како оригиналниот Фиат 500 од 1957 година и индискиот Тата Нано — едноставно работеа без балансни осовини, потпирајќи се на попустливи носачи на моторот за апсорбирање на вибрациите. Евтино, едноставно и прифатливо за буџетски примени.

Двоцилиндричните мотори со ракери на 180° (клипови кои се движат во спротивна фаза) нудат подобар примарен баланс, но можат да постигнат рамномерни интервали на паљење само во дводактна форма — како кај предвоените ДКВ-а и нивните потомци, источногерманскиот Трабант.

V-близначките мотори денес опстануваат речиси исклучиво на мотоцикли — Харли-Дејвидсон и неговите јапонски имитатори се очигледни примери. НАМИ-1 практично е единствениот автомобил кој некогаш го користел овој распоред. Противтежите на радилецот можат да го доведат до полн баланс, но рамномерните интервали на паљење остануваат недостижни.

Троцилиндричните мотори се послабо балансирани од редната четирица. Производители како Субару и Дајхацу поставуваат балансни осовини стандардно; одлуката на Опел да ги изостави кај троцилиндричниот Екотек за Корса од второта генерација ги намали трошоците, но на автомобилот му донесе лоша репутација во германскиот автомобилски печат по дебитот во 1996 година — беше опишан како „апсолутно невозможен за вожња низ градот во променливи режими”.

Редните четирици — најчестиот распоред во светот — имаат слободна инерцијална сила од втор ред која може да се неутрализира само со балансна осовина која се врти со двојна брзина на радилецот. За поништување на произлезениот момент, потребна е втора контра-ротирачка осовина. Скапо, да — но Мицубиши, Сааб, Форд, Фиат и брендовите на Фолксваген Групата сите го користеле овој систем кога рафинираноста го барала тоа.

Рамните четирици се малку подобри од нивните редни колеги — останува само момент пар од втор ред, кој тежнее да го завртува моторот околу неговата вертикална оска. Сепак, и воздушно ладениот мотор на Буба и Субаруовите боксер агрегати поминаа без балансни осовини со децении.

Редните петцилиндрични мотори имаат компензирани примарни инерцијални сили, но страдаат од тркалечки момент на свиткување кој постојано патува низ блокот — барајќи исклучително цврста конструкција. Мерцедес-Бенц, Ауди и Волво се справија со ова преку усовршени носачи на моторот и противтежи (на пример, наполнетиот 2,5 TFSI во Ауди ТТ РС), додека инженерите на Фиат отидоа подалеку и користеа целосна балансна осовина.

Една интересна забелешка: речиси сите петцилиндрични мотори се во суштина четирицилиндрични мотори со еден дополнителен цилиндар прикачен. Овој модуларен пристап овозможува споделување на клипови, биели и компоненти на вентилскиот механизам — само блокот, главата и радилецот (со зафати на интервали од 72°) треба да се сменат.

V6 моторите кои ги заменија редните шестици имаат исти карактеристики на баланс како троцилиндричен — односно, не се идеални. Самиот прв Мерцедес-Бенц V6 (М112, со три вентили по цилиндар) го реши ова со балансна осовина поставена во долината помеѓу редовите. Троитарниот шестцилиндар на ПСА Групата постави една во цилиндарска глава. Другите производители се одлучија за внимателно офсетирање на иглите на радилецот — како кај Аудиевиот V6 — за минимизирање на вибрациите без дополнителна сложеност. V6 моторите со вклучен агол од 90° додаваат уште еден проблем: инхерентно нерамномерни интервали на паљење кои тешко замајче може само делумно да ги изглади.

V8 моторите со агол на редови од 90° и зафати на радилецот во две меѓусебно нормални рамнини се многу добро балансирани. Рамномерните интервали на паљење се достижни, и остануваат само два резидуални момент пари — лесно решливи со противтежи на крајните главини на радилецот. Тоа е голем дел од причината зошто американските инженери толку ентузијастично го прегрнаа V8: тие едноставно не толерираат вибрации.

V4 моторите беа ретки и сега се речиси исчезнати во автомобилите. Европскиот Форд V4 (користен во Таунус, Капри и Сааб 96) и причудливиот V4 на Запорожец двата бараа балансна осовина за момент парови од прв ред. Компактноста и трошоците беа движечките фактори — балансот беше секундарен.

V10 моторите имаат исти карактеристики на баланс како редната петица. Тоа не ги запре конструкторите на мотори за Формула 1, Доџ Вајпер или Доџ РАМ да ги користат — кога ви треба моќ, со вибрациите се справувате.

Што се однесува до поегзотичните распореди: рамната осмица (користена во трки Порше 917) е ефективно две рамни четирици на заеднички радилец, додека V12 и рамно-12 моторите се сводат на две редни шестици — со тоа се објаснува нивната исклучителна мазност.

VR6, VR5 и W-мотори: Мајсторски потег на Фолксваген во сместувањето

Порано споменавме V-мотори со тесен агол, каков е Ланча Фулвија. Со децении беа избегнувани — потешки за балансирање од распоредите со 60° или 90°, со придобивки во сместувањето кои не изгледаа вредни за проблемот. Потоа приоритетите се сменија.

Два развоја ја промени играта:

• Хидрауличните носачи на моторот станаа широко достапни, драматично потиснувајќи го преносот на вибрации без оглед на теоретскиот баланс на моторот.
• Просторот под хаубата стана сè поскуден, правејќи ја компактноста премиум особина. Кој би замислил скромен хечбек кој крие 2,8-литарски шестцилиндричен мотор? Фолксваген го направи тоа да се случи.

Фолксваген VR6 — „VR” е скратеница за V-Reihen (V-редни) — го зема концептот со тесен агол подалеку отколку Ланча некогаш, користејќи само 15° агол помеѓу редовите. Резултатот е толку компактен што ефективно функционира како офсет редни мотор, а забележливо е тоа дека користи единствена цилиндарска глава за двата реда. 2,8-литарски шестцилиндричен мотор кој се собира таму каде конвенционален V6 не би — дебитираше во третата генерација Фолксваген Голф.

Оттука, инженерите на Фолксваген го развија концептот:

• VR5 пристигна како VR6 со еден отстранет цилиндар.
• W8 комбинира два скратени VR агрегати (по четири цилиндри секој) на еден радилец — вграден во флагшип Пасат седан.
• W12 дебитираше во 1998 година на концептот W12 Родстер: два VR6 мотора спојени под агол од 72° на еден радилец.
• W16 — со четири турбопунила — го задвижува Бугати Вејрон до 431 км/ч, правејќи го најекстремната серијска примена на оваа архитектура.

Зошто овие распореди не постоеле порано? Современото компјутерско проектирање ги направи можни. Оптимизирањето на вклучениот агол, позициите на иглите на радилецот, редоследот на паљење и карактеристиките на баланс низ толку сложени геометрии би било практично невозможно без компјутерската моќ достапна од 1990-тите наваму. Радилецот на W12 сам по себе е кошмар за механичар — вид на дел кој има смисла само кога компјутер ги верификувал сите толеранции.

Што всушност е важно во реалното конструирање на мотори

Ако постои едно поучување од сето ова, тоа е дека теоретскиот баланс ретко е одлучувачкиот фактор кога инженер избира распоред на мотор. Реалните приоритети се:

• Сместување — дали се собира во моторниот простор?
• Тежина и густина на моќноста — кој е најдобриот однос за примената?
• Производствени трошоци — може ли да споделува компоненти низ опсег на модели?
• Модуларност — сè повеќе, производителите градат цели фамилии на мотори од заедничка архитектура на клип и дупнатина, од троцилиндрични економски агрегати сè до дванаесетцилиндрични флагшипи

Тековниот асортиман на мотори на Мерцедес-Бенц е учебнички пример за модуларниот пристап: заедничка архитектура ги поддржува моторите низ многу различни излезни моќности и броеви на цилиндри.

А за вибрациите — вреди да се запамети дека теоретскиот и реалниот баланс се две многу различни работи. Дури и совршено балансирана редна шестица ќе вибрира ако нејзиниот склоп на радилецот не е правилно балансиран или ако нејзините клипови и биели се значително разликуваат по тежина. Производствените толеранции во реалниот свет и деформацијата на компонентите под оптоварување значат дека ниеден мотор никогаш не е толку мазен во пракса колку што сугерираат равенките. Затоа конструкцијата на носачите на моторот — начинот на кој погонскиот агрегат е изолиран од остатокот на автомобилот — е подеднакво важна колку и самиот распоред. Понекогаш дури и поважна.

Ова е превод. Оригиналот можете да го прочитате тука: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html