Konfigurasi Enjin Dijelaskan: Enjin Lurus, Berbentuk-V, dan Rata

Pada awal abad ke-20, ketika kejuruteraan automotif sedang berkembang pesat, enjin 10 liter boleh jadi sama ada unit satu silinder atau, katakanlah, lurus-lapan. Ketika itu, tiada sesiapa yang terkejut dengan enjin lurus-enam 23 liter atau enjin pesawat radial tujuh silinder yang dipindahkan ke dalam kereta.

Apabila pengeluaran besar-besaran berkembang dan tekanan kos semakin meningkat, segalanya menjadi lebih teratur. Enjin satu silinder menjadi peninggalan masa lalu. Hari ini, sesaran silinder purata dalam enjin kereta konvensional adalah antara 300 hingga 600 sentimeter padu, dengan output spesifik berkisar dari sekitar 35 hp/l dalam enjin diesel sedutan semula jadi hingga 100 hp/l dalam enjin petrol berprestasi tinggi. Inilah titik optimum untuk pengeluaran pasaran massa — melangkaui sempadan ini semata-mata tidak ekonomik.

Jadi, bagaimana rupa landskap enjin moden hari ini? Secara umumnya:

• Enjin 100 hp biasanya mempunyai empat silinder
• Enjin 200 hp lazimnya menggunakan empat, lima, atau enam silinder
• Enjin 300 hp umumnya menggunakan lapan silinder

Tetapi bagaimana silinder-silinder itu sebenarnya boleh disusun? Apakah pilihan susunan yang ada pada jurutera apabila mereka mereka bentuk enjin berbilang silinder? Mari kita kupas satu persatu.

Enjin Lurus: Mudah tetapi Semakin Tidak Praktikal

Soalan utama dalam fikiran mana-mana pereka enjin adalah bagaimana untuk memudahkan reka bentuk — mengekalkan kos pengeluaran yang rendah dan penyelenggaraan yang mudah. Dalam hal ini, enjin sebaris (lurus) menang jauh. Silinder disusun dalam satu baris tunggal, dan meningkatkan kapasiti semudah menambah lebih banyak silinder.

Berikut adalah cara varian enjin sebaris dibahagikan dalam praktik:

• Enjin dua dan tiga silinder agak jarang ditemui dalam kereta, walaupun format dua silinder sedang kembali popular berkat sistem suntikan bahan api maju dan turbo pengecas — enjin dua silinder turbo berkuasa 85 hp dalam Fiat 500 menjadi contoh utama.
• Lurus-empat merupakan tulang belakang dunia kereta penumpang, merangkumi sesaran dari 1.0 hingga 2.4 liter.
• Enjin lurus-lima merupakan perkembangan yang lebih baru. Mercedes-Benz memelopori enjin diesel lima silinder pada tahun 1974 (300D pada platform W123), diikuti oleh enjin petrol lima silinder dua liter Audi dua tahun kemudian, kemudian Volvo dan Fiat menyertai pada akhir tahun 1980-an.
• Enjin lurus-enam, lama menjadi kegemaran Eropah kerana kehalusannya, semakin jarang ditemui. Saudaranya yang lebih panjang, lurus-lapan, secara berkesan telah ditinggalkan sejak tahun 1930-an.

Sebab trend ini adalah mudah: semakin banyak silinder yang anda tambah, semakin panjang enjin itu — dan ini menimbulkan masalah ruang yang serius. Memasang enjin lurus-enam secara melintang dalam ruang enjin pacuan roda hadapan, sebagai contoh, hanya berjaya dilakukan dalam beberapa kes sahaja: Austin Maxi 2200 (yang memerlukan kotak gear diletakkan di bawah enjin) dan Volvo S80 dengan kotak gear ultra-padat.

Enjin Berbentuk-V dan Rata: Padat tetapi Kompleks

Jadi bagaimana anda memendekkan enjin sebaris? Penyelesaian yang elegan: bahagikan ia kepada dua, letakkan kedua-dua bahagian bersebelahan, dan gerakkan satu aci engkol dengan kedua-duanya. Itulah intipati enjin V.

Konfigurasi enjin-V yang paling biasa menggunakan sudut termasuk sebesar 60° atau 90° antara bank silinder. Tolak sudut itu hingga 180° — silinder menghala terus menjauh antara satu sama lain — dan anda mendapat enjin rata, juga dikenali sebagai enjin boxer (maka timbul nama B2, B4, B6).

Pertukaran berbanding enjin lurus adalah ketara:

• Dua kepala silinder — masing-masing dengan gasket dan manifold tersendiri
• Lebih banyak aci sesondol dan susunan pemacu injap yang lebih kompleks
• Lebar yang lebih besar (terutama untuk enjin rata), yang mengehadkan tempat ia boleh dipasang
• Kos pembuatan yang lebih tinggi dan servis yang lebih kompleks

Disebabkan kelemahan ini, enjin rata hanya digunakan oleh sebilangan kecil pengeluar — Porsche dan Subaru menjadi yang paling ketara hari ini.

Bagaimana pula membuat enjin V lebih padat dengan mengecilkan sudut termasuk di bawah 60°? Ia telah dilakukan — Lancia Fulvia pada tahun 1970-an menggunakan V4 dengan sudut hanya 23°. Tetapi ada tangkapannya: semakin sempit sudut itu, semakin sukar enjin itu untuk diseimbangkan. Ini membawa kita kepada salah satu cabaran paling kritikal dalam reka bentuk enjin.

Getaran Enjin: Daya, Tork, dan Cara Mengatasinya

Tiada enjin pembakaran dalam omboh yang bebas sepenuhnya daripada getaran — ia adalah sesuatu yang semula jadi dalam reka bentuk tersebut. Tetapi mengurus getaran adalah kritikal, bukan sahaja untuk keselesaan penumpang. Getaran tidak seimbang yang teruk boleh secara fizikal memusnahkan komponen enjin, dengan semua akibat bencana yang datang bersama bahagian-bahagian yang tercabut pada kelajuan tinggi.

Dari mana datangnya getaran enjin? Terdapat tiga sumber utama:

• Selang pencucuhan yang tidak sekata — dalam sesetengah konfigurasi enjin, lejang kuasa tidak mencucuh pada selang yang sempurna sama rata, mewujudkan riak tork. Roda tenaga yang lebih berat dapat membantu menghaluskan ini.
• Daya inersia omboh — apabila omboh memecut ke atas dan nyahpecut di bahagian atas lejangnya (dan sebaliknya di bahagian bawah), ia menjana daya inersia yang serupa dengan apa yang anda rasai ketika kereta mengerek atau memecut.
• Geometri rod penghubung — rod penghubung tidak bergerak dalam garis lurus, dan pergerakan omboh bukanlah sinusoid yang sempurna, yang memperkenalkan komponen daya tambahan pada gandaan kelajuan aci engkol.

Daya inersia tertib tinggi ini secara umumnya boleh diabaikan — kecuali untuk daya tertib kedua, yang bertindak pada dua kali frekuensi aci engkol dan mesti sentiasa diambil kira. Apabila daya inersia dalam silinder yang bersebelahan bertindak dalam arah yang berlawanan pada jarak tetap antara satu sama lain, ia juga menjana pasangan tork, menambah satu lagi lapisan kerumitan.

Jurutera mempunyai dua alat utama untuk melawan daya-daya ini:

• Pilih konfigurasi yang seimbang secara semula jadi — susun silinder dan lontaran aci engkol supaya daya dan tork saling menghapuskan secara semula jadi.
• Tambah aci pengimbang — aci sekunder dengan pemberat pemutar yang berputar dalam arah berlawanan dengan aci engkol, menghasilkan daya yang sama dan berlawanan. Ini menambah kos dan kerumitan mekanikal tetapi boleh meneutralkan sepenuhnya mod getaran yang bermasalah.

Daripada semua susun atur enjin biasa, hanya dua yang seimbang sempurna secara teori: lurus-enam dan rata-enam. Inilah sebabnya BMW dan Porsche begitu ketat mempertahankan konfigurasi ini — dan mengapa yang lain enggan meninggalkannya walaupun terdapat cabaran pemasangan.

Keseimbangan Enjin Mengikut Konfigurasi: Panduan Praktikal

Mari kita lihat bagaimana setiap konfigurasi enjin utama berfungsi dalam dunia sebenar dari segi getaran dan keseimbangan.

Enjin lurus dua silinder (engkol dalam arah yang sama) berkelakuan sama seperti enjin satu silinder dari segi keseimbangan — kedua-dua omboh naik dan turun seiringan. Oka Rusia menggunakan dua aci pengimbang yang berputar berlawanan untuk menangani daya inersia tertib pertama, tetapi daya tertib kedua dibiarkan tanpa kawalan. Menambah dua aci pengimbang lagi adalah tidak praktikal sama sekali pada kereta kecil dan mampu milik seperti itu. Banyak enjin dua silinder — seperti Fiat 500 asal tahun 1957 dan Tata Nano dari India — hanya beroperasi tanpa sebarang aci pengimbang, bergantung pada sangga enjin yang fleksibel untuk menyerap getaran. Murah, mudah, dan boleh diterima untuk aplikasi belanjawan.

Enjin dua silinder dengan engkol pada 180° (omboh bergerak dalam fasa bertentangan) menawarkan keseimbangan primer yang lebih baik tetapi hanya boleh mencapai selang pencucuhan yang serata dalam bentuk dua lejang — seperti yang digunakan pada DKW pra-perang dan keturunannya, Trabant Jerman Timur.

Enjin V-kembar masih wujud hari ini hampir secara eksklusif pada motosikal — Harley-Davidson dan peniru Jepunnya menjadi contoh yang jelas. NAMI-1 merupakan hampir satu-satunya kereta yang pernah menggunakan susun atur ini. Pemberat pemutar pada aci engkol boleh membawanya hampir kepada keseimbangan penuh, tetapi selang pencucuhan yang serata tetap tidak dapat dicapai.

Enjin tiga silinder lebih tidak seimbang berbanding lurus-empat. Pengeluar seperti Subaru dan Daihatsu memasang aci pengimbang sebagai piawaian; keputusan Opel untuk tidak memasangnya dalam enjin Ecotec tiga silinder bagi Corsa generasi kedua menjimatkan kos tetapi menjadikan kereta itu mendapat reputasi buruk daripada akhbar automotif Jerman selepas debutnya pada tahun 1996 — ia digambarkan sebagai “mustahil sama sekali untuk dipandu di bandar dalam mod berubah-ubah.”

Enjin lurus-empat — susun atur yang paling biasa di dunia — mempunyai daya inersia tertib kedua bebas yang hanya boleh dineutralkan oleh aci pengimbang yang berputar pada dua kali kelajuan aci engkol. Untuk membatalkan tork yang terhasil, diperlukan aci kedua yang berputar berlawanan. Mahal, ya — tetapi Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat, dan jenama Kumpulan Volkswagen semuanya pernah menggunakan persediaan ini apabila tahap kesempurnaan menuntutnya.

Enjin rata-empat sedikit lebih baik berbanding rakan sebaris mereka — hanya pasangan tork tertib kedua yang kekal, cenderung untuk memutarkan enjin mengelilingi paksi vertikalnya. Walaupun begitu, kedua-dua enjin Beetle yang disejuk udara dan unit boxer Subaru telah berjaya beroperasi tanpa aci pengimbang selama beberapa dekad.

Enjin lurus-lima mempunyai daya inersia primer yang terkompensi tetapi mengalami tork lenturan gelinding yang sentiasa bergerak melalui blok — menuntut struktur yang sangat tegar. Mercedes-Benz, Audi, dan Volvo menangani ini melalui sangga enjin yang diperhalusi dan pemberat pemutar (seperti 2.5 TFSI berkompres dalam Audi TT RS), manakala jurutera Fiat pergi lebih jauh dengan menggunakan aci pengimbang penuh.

Satu nota menarik: hampir semua enjin lima silinder pada asasnya adalah enjin empat silinder dengan satu silinder tambahan yang dipasang. Pendekatan modular ini membolehkan perkongsian omboh, rod penghubung, dan komponen injap — hanya blok, kepala, dan aci engkol (dengan lontaran pada selang 72°) yang perlu berubah.

Enjin V6 yang menggantikan lurus-enam berkongsi ciri-ciri keseimbangan yang sama seperti enjin tiga silinder — yang bermakna, tidak ideal. Mercedes-Benz V6 pertama (M112, dengan tiga injap setiap silinder) menangani ini dengan aci pengimbang yang dipasang di lembah antara bank. V6 tiga liter Kumpulan PSA meletakkan satu dalam kepala silinder. Pengeluar lain memilih pengofset pin engkol yang teliti — seperti yang dilihat pada Audi V6 — untuk meminimumkan getaran tanpa kerumitan tambahan. Enjin V6 dengan sudut termasuk 90° menambah satu lagi masalah: selang pencucuhan yang tidak serata secara semula jadi yang hanya boleh dihaluskan sebahagiannya oleh roda tenaga yang diberat.

Enjin V8 dengan sudut bank 90° dan lontaran aci engkol dalam dua satah yang saling berserenjang adalah sangat seimbang. Selang pencucuhan yang serata boleh dicapai, dan hanya dua pasangan tork sisa yang kekal — mudah ditangani oleh pemberat pemutar pada jurnal hujung aci engkol. Ini sebahagian besar daripada sebab jurutera Amerika begitu ghairah memeluk V8: mereka tidak bertolak ansur dengan getaran.

Enjin V4 adalah jarang dan kini hampir pupus dalam kereta. Ford V4 Eropah (digunakan dalam Taunus, Capri, dan Saab 96) dan V4 pelik Zaporozhets kedua-duanya memerlukan aci pengimbang untuk pasangan tork tertib pertama. Kepadatan dan kos adalah faktor pemacu — keseimbangan adalah perkara kedua.

Enjin V10 berkongsi ciri-ciri keseimbangan yang sama seperti lurus-lima. Itu tidak menghalang pereka enjin Formula 1, Dodge Viper, atau Dodge RAM daripada menggunakannya — apabila anda memerlukan kuasa, anda uruskan getarannya.

Bagi susun atur yang lebih eksotik: rata-lapan (seperti yang digunakan dalam kereta lumba Porsche 917) secara berkesan adalah dua rata-empat pada aci engkol yang sama, manakala enjin V12 dan rata-12 boleh direduksi kepada dua lurus-enam — menjelaskan kehalusannya yang luar biasa.

VR6, VR5, dan Enjin-W: Kejayaan Pemasangan Volkswagen

Kita telah menyentuh tentang enjin V sudut sempit seperti Lancia Fulvia sebelum ini. Selama beberapa dekad, ini dielakkan — lebih sukar untuk diseimbangkan berbanding susun atur 60° atau 90°, dengan keuntungan pemasangan yang nampaknya tidak berbaloi dengan masalah itu. Kemudian keutamaan berubah.

Dua perkembangan mengubah situasi:

• Sangga enjin hidraulik menjadi tersedia secara meluas, menyekat penghantaran getaran secara dramatik tanpa mengira keseimbangan teori enjin.
• Ruang di bawah bonet semakin sempit, menjadikan kepadatan satu ciri yang sangat berharga. Siapa yang sangka sebuah hatchback sederhana menyembunyikan enjin enam silinder 2.8 liter? Volkswagen menjayakannya.

Volkswagen VR6 — “VR” singkatan bagi V-Reihen (V-sebaris) — mengambil konsep sudut sempit lebih jauh daripada yang pernah dilakukan oleh Lancia, menggunakan sudut hanya 15° antara bank. Hasilnya begitu padat sehingga secara berkesan berfungsi sebagai enjin sebaris yang diofset, dan sungguh menakjubkan, ia menggunakan satu kepala silinder untuk kedua-dua bank. Enjin enam silinder 2.8 liter yang muat di tempat yang tidak mungkin dimuati oleh V6 konvensional — mula diperkenalkan dalam Volkswagen Golf generasi ketiga.

Dari situ, jurutera Volkswagen terus mengembangkan konsep ini:

• VR5 hadir sebagai VR6 dengan satu silinder dibuang.
• W8 menggabungkan dua unit VR yang dipendekkan (empat silinder setiap satu) pada satu aci engkol — dipasang pada sedan Passat unggulan.
• W12 muncul sulung pada tahun 1998 dalam konsep W12 Roadster: dua enjin VR6 digabungkan pada sudut 72° pada satu aci engkol.
• W16 — dengan empat turbo pengecas — menggerakkan Bugatti Veyron hingga 431 km/j, menjadikannya aplikasi pengeluaran paling ekstrem bagi seni bina ini.

Mengapa susun atur ini tidak wujud sebelumnya? Reka bentuk berbantukan komputer moden membuatnya mungkin. Mengoptimumkan sudut termasuk, kedudukan pin engkol, turutan pencucuhan, dan ciri-ciri keseimbangan merentasi geometri yang begitu kompleks akan menjadi hampir mustahil tanpa kuasa pengkomputeran yang tersedia dari tahun 1990-an ke hadapan. Aci engkol W12 sahaja adalah mimpi ngeri seorang jurumesin — sejenis bahagian yang hanya masuk akal apabila komputer telah mengesahkan setiap toleransi.

Apa yang Sebenarnya Penting dalam Reka Bentuk Enjin Dunia Nyata

Jika ada satu pengajaran dari semua ini, ia adalah bahawa keseimbangan teori jarang menjadi faktor penentu apabila jurutera memilih susun atur enjin. Keutamaan sebenar adalah:

• Pemasangan — adakah ia muat dalam ruang enjin?
• Berat dan ketumpatan kuasa — apakah nisbah terbaik untuk aplikasi tersebut?
• Kos pengeluaran — bolehkah ia berkongsi komponen merentasi pelbagai model?
• Modulariti — semakin banyak pengeluar membina keseluruhan keluarga enjin daripada seni bina omboh dan lubang yang sama, dari unit ekonomi tiga silinder sehinggalah ke unggulan dua belas silinder

Barisan enjin semasa Mercedes-Benz merupakan contoh teks buku bagi pendekatan modular: satu seni bina yang dikongsi menjadi asas bagi enjin merentasi output kuasa dan bilangan silinder yang sangat berbeza.

Dan tentang getaran — ada baiknya diingat bahawa keseimbangan teori dan keseimbangan sebenar adalah dua perkara yang sangat berbeza. Walaupun lurus-enam yang seimbang sempurna akan bergegar sekiranya pemasangan aci engkolnya tidak diseimbangkan dengan betul atau jika omboh dan rod penghubungnya berbeza ketara dalam berat. Toleransi pengeluaran dunia nyata dan ubah bentuk komponen di bawah beban bermakna tiada enjin yang sehalus dalam amalan seperti yang disyorkan persamaan. Itulah sebabnya reka bentuk sangga enjin — cara unit kuasa diasingkan daripada seluruh kereta — adalah sama pentingnya dengan susun atur enjin itu sendiri. Kadang-kadang lebih penting.

Ini adalah terjemahan. Anda boleh membaca yang asal di sini: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html