Motorkonfigurasjoner forklart: Rekkemotorer, V-motorer og boksermotorer

Ved begynnelsen av det 20. århundret, da bilindustrien var i rivende utvikling, kunne en 10-liters motor enten være en énsylindret enhet eller, for eksempel, en rett åttsylindret rekkemotor. Den gangen hevet ingen et øyenbryn over en 23-liters rekkeseks eller en sjusylindret stjernemotor fra fly transplantert inn i en bil.

Da masseproduksjonen tok av og kostnadspresset økte, falt alt på plass. Énsylindermotoren ble en saga blott. I dag ligger det gjennomsnittlige sylindervolum i en konvensjonell bilmotor mellom 300 og 600 kubikkcentimeter, med et spesifikt ytelsesnivå fra rundt 35 hk/l i en sugemotordiesel til 100 hk/l i en høyytelsesbensinmotor. Dette er de optimale områdene for masseproduksjon – å bevege seg utenfor dem er rett og slett ikke lønnsomt.

Hvordan ser det moderne motorlandskapet ut? Generelt sett:

• En 100 hk-motor har vanligvis fire sylindre
• En 200 hk-motor har vanligvis fire, fem eller seks sylindre
• En 300 hk-motor har vanligvis åtte sylindre

Men hvordan kan disse sylindrene faktisk arrangeres? Hvilke layoutalternativer har ingeniører når de designer en flersylindret motor? La oss gå gjennom det.

Rekkemotorer: Enkle, men stadig mer upraktiske

Det viktigste spørsmålet for enhver motordesigner er hvordan man forenkler konstruksjonen – holde produksjonskostnadene lave og vedlikehold oversiktlig. På det området vinner rekkemotoren (inline-motoren) klart. Sylindrene er arrangert i én enkelt rad, og det er like enkelt å øke kapasiteten som å legge til flere av dem.

Slik fordeler rekkemotorvarianter seg i praksis:

• To- og tresylindrede motorer er relativt sjeldne i biler, selv om tosylindersformatet er på vei tilbake takket være avansert drivstoffinjeksjon og turbolading – den 85 hk turbochargede tosylindreren i Fiat 500 er et godt eksempel.
• Rekkefireren er arbeidshesten i personbilverdenen og dekker slagvolumer fra 1,0 til 2,4 liter.
• Rekkefemsilindrere er en nyere utvikling. Mercedes-Benz var pionerer med den dieseldrevne femsylindreren i 1974 (300D på W123-plattformen), etterfulgt av Audis to-liters bensindrevne femsylindrer to år senere, og deretter Volvo og Fiat som kom til på slutten av 1980-tallet.
• Rekkeseksere, lenge en europeisk favoritt på grunn av sin glattkjøring, har blitt stadig sjeldnere. Dens enda lengre søster, rekkeatteren, ble i praksis forlatt allerede på 1930-tallet.

Årsaken til denne trenden er enkel: jo flere sylindre du legger til, desto lengre blir motoren – og det skaper alvorlige plassutfordringer. Å montere en rekkeseks tversgående i et forhjulsdrevet motorrom har for eksempel bare lyktes i et fåtall tilfeller: Austin Maxi 2200 (som krevde at girkassen ble plassert under motoren) og Volvo S80 med sin ultra-kompakte girkasse.

V-formede og flate motorer: Kompakte, men komplekse

Hvordan gjør du en rekkemotor kortere? Den elegante løsningen: del den i to, plasser de to halvdelene side om side, og driv en enkelt veivaksel med begge. Det er essensen av V-motoren.

De vanligste V-motorkonfigurasjonene bruker en inkludert vinkel på 60° eller 90° mellom sylinderbankene. Skyv denne vinkelen helt til 180° – sylindre som peker direkte bort fra hverandre – og du får en flat motor, også kjent som en boksermotor (derav betegnelsene B2, B4, B6).

Avveiningene sammenlignet med en rekkemotor er betydelige:

• To sylinderhoder – hvert med sin egen pakning og manifolder
• Flere kamaksler og en mer kompleks ventildrivarrangement
• Større bredde (spesielt for flate motorer), som begrenser hvor de kan installeres
• Høyere produksjonskostnader og mer kompleks service

På grunn av disse ulempene brukes flate motorer bare av et lite antall produsenter – Porsche og Subaru er de mest fremtredende i dag.

Hva med å gjøre en V-motor enda mer kompakt ved å redusere den inkluderte vinkelen under 60°? Det har blitt gjort – Lancia Fulvia fra 1970-tallet hadde en V4 med bare 23° vinkel. Men det er en hake: jo smalere vinkelen er, desto vanskeligere er det å balansere motoren. Dette bringer oss til en av de mest kritiske utfordringene innen motordesign.

Motorvibrasjoner: Krefter, dreiemoment og hvordan man tøyler dem

Ingen stempelbasert forbrenningsmotor er helt fri for vibrasjoner – det er iboende i designet. Men å håndtere vibrasjoner er avgjørende, ikke bare for passasjerkomfort. Alvorlige ubalanserte vibrasjoner kan fysisk ødelegge motorkomponenter, med alle de katastrofale konsekvensene som følger av at deler løsner ved høy hastighet.

Hvor kommer motorvibrasjoner fra? Det er tre hovedkilder:

• Ujevne tennintervaller – i noen motorkonfigurasjoner brenner kraftslagene ikke med perfekt like intervaller, noe som skaper dreiemomentrippel. Et tyngre svinghjul kan bidra til å jevne dette ut.
• Stempelets treghetskrefter – når stemplene akselererer oppover og bremser ved toppen av slaget (og omvendt ved bunnen), genererer de treghetskrefter som ligner på det du føler når en bil bremser eller akselererer.
• Pleuelstangens geometri – pleuelstangen beveger seg ikke i en rett linje, og stempelets bevegelse er ikke en perfekt sinusbevegelse, noe som introduserer ytterligere kraftkomponenter ved multipler av veivakselens hastighet.

Disse høyere ordens treghetskrefter er generelt ubetydelige – bortsett fra annenordens krefter, som virker ved dobbelt veivakselfrekvens og alltid må tas i betraktning. Når treghetskrefter i tilstøtende sylindre virker i motsatte retninger med en fast avstand mellom seg, genererer de også momentpar, noe som legger til et nytt lag med kompleksitet.

Ingeniører har to hovedverktøy for å bekjempe disse kreftene:

• Velg en iboende balansert konfigurasjon – arranger sylindre og veivakselkaster slik at krefter og dreiemomenter naturlig kansellerer hverandre.
• Legg til balanseaksler – sekundære aksler med motvekter som roterer i motsatt retning av veivakselen, og genererer like og motsatte krefter. Dette øker kostnadene og den mekaniske kompleksiteten, men kan fullt ut nøytralisere problematiske vibrasjonsmoduser.

Av alle vanlige motorlayouter er det bare to som er teoretisk perfekt balansert: rekkesekseren og flat-sekseren. Det er nettopp derfor BMW og Porsche har holdt fast ved disse konfigurasjonene så iherdig – og hvorfor andre har vært motvillige til å forlate dem til tross for plassutfordringene.

Motorbalanse etter konfigurasjon: En praktisk guide

La oss se på hvordan hver viktig motorkonfigurasjon fungerer i den virkelige verden når det gjelder vibrasjon og balanse.

Tosylindrede rekkemotorer (med krank i samme retning) oppfører seg på samme måte som en énsylindret motor når det gjelder balanse – begge stemplene stiger og faller i fase. Den russiske Oka brukte to motrotererende balanseaksler for å håndtere førsteordens treghetskrefter, men annenordens krefter ble ikke håndtert. Å legge til ytterligere to balanseaksler ville vært helt upraktisk på en så liten og rimelig bil. Mange tosylindrede motorer – som den originale Fiat 500 fra 1957 og indiske Tata Nano – kjørte rett og slett uten balanseaksler og baserte seg på myke motoroppheng for å absorbere vibrasjonene. Billig, enkelt og akseptabelt for budsjettapplikasjoner.

Tosylindrede motorer med krank ved 180° (stempler i motfase) gir bedre primærbalanse, men kan bare oppnå jevne tennintervaller i to-taktsform – slik det ble brukt i mellomkrigstidens DKW-er og deres etterfølgere, den østtyske Trabanten.

V-twin-motorer overlever i dag nesten utelukkende på motorsykler – Harley-Davidson og dens japanske imitatorer er de åpenbare eksemplene. NAMI-1 er i praksis den eneste bilen som noen gang har brukt dette oppsettet. Motvekter på veivakselen kan bringe den nær fullstendig balanse, men jevne tennintervaller forblir uoppnåelige.

Tresylindrede motorer er dårligere balansert enn en rekkefirer. Produsenter som Subaru og Daihatsu monterer balanseaksler som standard; Opels beslutning om å utelate en slik i Ecotec-tresylindreren for andre generasjons Corsa sparte kostnader, men ga bilen et rykte for å gå hardt, ifølge den tyske bilpressen etter debuten i 1996 – den ble beskrevet som «absolutt umulig å kjøre i byen i varierende moduser».

Rekkefirere – den vanligste layouten i verden – har en fri annenordens treghets kraft som bare kan nøytraliseres av en balanseaksel som kjører ved dobbelt veivakselens hastighet. For å kansellere det resulterende dreiemomentet trengs en andre motrotererende aksel. Dyrt, ja – men Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat og Volkswagen Group-merker har alle brukt dette oppsettet når raffinement krevde det.

Flat-firere gjør det litt bedre enn sine inline-motparter – bare et annenordens momentpar gjenstår, som tenderer til å gi motoren en giring rundt sin vertikale akse. Likevel har både den luftkjølte Beetle-motoren og Subarus bokserenheter klart seg uten balanseaksler i tiår.

Rekkefemsilindrere har kompenserte primære treghetskrefter, men lider under et rullende bøyemoment som stadig beveger seg gjennom blokken – noe som krever en ekstremt stiv struktur. Mercedes-Benz, Audi og Volvo taklet dette gjennom raffinerte motoroppheng og motvekter (som den kompressorladede 2,5 TFSI i Audi TT RS), mens Fiats ingeniører gikk lenger og brukte en full balanseaksel.

En interessant sidenote: nesten alle femsylindrede motorer er i bunn og grunn firesylindrede motorer med én ekstra sylinder boltet på. Denne modulære tilnærmingen muliggjør delte stempler, pleuelstenger og ventiltreinskomponenter – bare blokken, toppen og veivakselen (med kast ved 72° intervaller) trenger å endres.

V6-motorer som erstattet rekkeseksere deler de samme balanseegenskapene som en tresylindret motor – det vil si ikke ideelle. Den aller første Mercedes-Benz V6 (M112, med tre ventiler per sylinder) løste dette med en balanseaksel montert i dalen mellom bankene. PSA Groups tre-liters seksylindrer plasserte en i et sylinderhode. Andre produsenter valgte nøye forskyving av kranktapper – som sett på Audi V6 – for å minimere vibrasjon uten den ekstra kompleksiteten. V6-motorer med 90° inkludert vinkel legger til en ekstra hodepine: iboende ujevne tennintervaller som et vektet svinghjul bare delvis kan jevne ut.

V8-motorer med 90° bankvinkel og veivakselkast i to gjensidig perpendikulære plan er svært godt balansert. Jevne tennintervaller er oppnåelige, og bare to gjenværende momentpar gjenstår – enkelt håndtert av motvekter på veivakselens endelager. Dette er en stor del av grunnen til at amerikanske ingeniører omfavnet V8-motoren så entusiastisk: de tolererer rett og slett ikke vibrasjoner.

V4-motorer var sjeldne og er nå så godt som utdødd i biler. Den europeiske Ford V4 (brukt i Taunus, Capri og Saab 96) og Zaporozhets’ særegne V4 krevde begge en balanseaksel for førsteordens momentpar. Kompakthet og kostnad var de drivende faktorene – balanse var sekundært.

V10-motorer deler de samme balanseegenskapene som en rekkefemmer. Det stoppet ikke designerne av Formel 1-motorer, Dodge Viper eller Dodge RAM fra å bruke dem – når du trenger kraften, håndterer du vibrasjonene.

Når det gjelder de mer eksotiske layoutene: flat-atteren (som brukt i Porsche 917-racerbiler) er i praksis to flat-firere på en felles veivaksel, mens V12- og flat-12-motorer kan reduseres til to rekkeseksere – noe som forklarer deres eksepsjonelle glattkjøring.

VR6, VR5 og W-motorer: Volkswagens emballasjemesterverk

Vi nevnte smalvinkede V-motorer som Lancia Fulvia tidligere. I tiår ble disse unngått – vanskeligere å balansere enn 60°- eller 90°-oppsett, med de kompakte fordelene som ikke syntes å veie opp for bryet. Så skiftet prioritetene.

To utviklinger endret spillet:

• Hydrauliske motoroppheng ble allment tilgjengelige og reduserte vibrasjonsoverføring drastisk, uavhengig av motorens teoretiske balanse.
• Plassen under panseret ble stadig knappere, noe som gjorde kompakthet til en premiumegenskap. Hvem hadde kunnet forestille seg en beskjeden kombihet som skjuler en 2,8-liters sekssilindermotor? Volkswagen fikk det til.

Volkswagen VR6 – der «VR» står for V-Reihen (V-rekke) – tar smalvinkelbegrepet lenger enn Lancia noen gang gjorde, med bare 15° vinkel mellom bankene. Resultatet er så kompakt at det i praksis fungerer som en forskjøvet rekkemotor, og bemerkelsesverdig nok bruker den et enkelt sylinderhode for begge bankene. En 2,8-liters sekssilindermotor som passer der en konvensjonell V6 ikke ville – debuterte i tredje generasjons Volkswagen Golf.

Derfra lot Volkswagens ingeniører konseptet løpe videre:

• VR5 kom som VR6 med én sylinder fjernet.
• W8 kombinerte to forkortede VR-enheter (fire sylindre hver) på en enkelt veivaksel – montert i flaggskipet Passat sedan.
• W12 debuterte i 1998 på W12 Roadster-konseptet: to VR6-motorer koblet ved 72° vinkel på én veivaksel.
• W16 – med fire turboladere – driver Bugatti Veyron til 431 km/t, og gjør den til den mest ekstreme produksjonsapplikasjonen av denne arkitekturen.

Hvorfor fantes ikke disse layoutene før? Moderne datamaskinassistert design gjorde dem mulige. Å optimalisere den inkluderte vinkelen, kranktappeposisjoner, tennrekkefølge og balanseegenskaper på tvers av slike komplekse geometrier ville ha vært praktisk talt umulig uten datakraften som var tilgjengelig fra 1990-tallet og fremover. Veivakselen i en W12 alene er en maskinists mareritt – den typen del som bare gir mening når en datamaskin har verifisert alle toleranser.

Hva som faktisk betyr noe i virkelighetens motordesign

Hvis det er én lærdom å ta med seg fra alt dette, er det at teoretisk balanse sjelden er den avgjørende faktoren når en ingeniør velger en motorlayout. De reelle prioriteringene er:

• Plass – passer den i motorrommet?
• Vekt og ytelsestetthet – hva er det beste forholdet for applikasjonen?
• Produksjonskostnad – kan den dele komponenter på tvers av et modellprogram?
• Modularitet – i økende grad bygger produsenter hele motorfamilier fra en felles stempel- og borediameterarkitektur, fra tresylindrede økonomienheter helt opp til tolvsilindrede flaggskip

Mercedes-Benz’ nåværende motorprogram er et lærebokeksempel på den modulære tilnærmingen: en felles arkitektur underpinner motorer på tvers av vidt forskjellige ytelsesnivåer og sylindertall.

Og når det gjelder vibrasjoner – det er verdt å huske at teoretisk og faktisk balanse er to svært forskjellige ting. Selv en perfekt balansert rekkesekser vil riste hvis veivakselenheten ikke er riktig balansert, eller hvis stemplene og pleuelstengene varierer merkbart i vekt. Virkelighetens produksjonstolerenser og komponentdeformasjon under belastning betyr at ingen motor noen gang er like jevn i praksis som ligningene antyder. Det er derfor motoropphengsdesignet – måten kraftpakken er isolert fra resten av bilen – er like viktig som layouten i seg selv. Noen ganger enda viktigere.

Dette er en oversettelse. Du kan lese originalen her: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html