Configurațiile Motoarelor Explicate: Motoare în Linie, în V și Plate

La începutul secolului al XX-lea, când ingineria auto avansa în ritm alert, un motor de 10 litri putea fi fie un monocilindru, fie, să zicem, un motor în linie cu opt cilindri. Pe atunci, nimeni nu clipea la un motor în linie cu șase cilindri de 23 de litri sau la un motor radial de avion cu șapte cilindri transplantat într-un automobil.

Pe măsură ce producția de masă s-a extins și presiunile legate de costuri s-au intensificat, lucrurile s-au așezat la locul lor. Motorul monocilindru a devenit o relicvă a trecutului. Astăzi, cilindreea medie a unui motor convențional de autoturism se situează între 300 și 600 de centimetri cubi, cu o putere specifică cuprinsă între aproximativ 35 CP/l la un motor diesel aspirat natural și 100 CP/l la un motor pe benzină de înaltă performanță. Acestea sunt punctele optime pentru producția de masă — a ieși din aceste limite nu este pur și simplu economic.

Cum arată, în linii mari, peisajul motoarelor moderne? În general:

• Un motor de 100 CP are de obicei patru cilindri
• Un motor de 200 CP funcționează de regulă cu patru, cinci sau șase cilindri
• Un motor de 300 CP folosește în mod curent opt cilindri

Dar cum pot fi dispuși acești cilindri în practică? Ce opțiuni de configurare au inginerii atunci când proiectează un motor policilindric? Să analizăm pe rând.

Motoare în Linie: Simple, dar Tot Mai Dificil de Integrat

Prima întrebare pe care și-o pune orice proiectant de motoare este cum să simplifice construcția — menținând costurile de producție scăzute și întreținerea accesibilă. Din acest punct de vedere, motorul în linie (straight) câștigă fără discuție. Cilindrii sunt dispuși într-un singur rând, iar creșterea capacității este la fel de simplă ca adăugarea unora noi.

Iată cum se prezintă în practică variantele de motoare în linie:

• Motoarele cu doi și trei cilindri sunt relativ rare la autoturisme, deși formatul bicilindric cunoaște o revenire datorită injecției avansate de combustibil și turbocompresiei — motorul turbo de 85 CP cu doi cilindri de la Fiat 500 fiind un exemplu elocvent.
• Motorul în linie cu patru cilindri este calul de bătaie al lumii autoturismelor de pasageri, acoperind cilindree cuprinse între 1,0 și 2,4 litri.
• Motoarele în linie cu cinci cilindri reprezintă o dezvoltare mai recentă. Mercedes-Benz a fost pionier în domeniul motorului diesel cu cinci cilindri în 1974 (modelul 300D pe platforma W123), urmat de motorul pe benzină Audi de doi litri cu cinci cilindri doi ani mai târziu, iar Volvo și Fiat au urmat la sfârșitul anilor 1980.
• Motoarele în linie cu șase cilindri, mult timp preferate în Europa pentru mersul lor lin, au devenit tot mai rare. Varianta și mai lungă, motorul în linie cu opt cilindri, a fost practic abandonată încă din anii 1930.

Motivul acestei tendințe este simplu: cu cât adaugi mai mulți cilindri, cu atât motorul devine mai lung — și asta creează probleme serioase de integrare. Montarea transversală a unui motor în linie cu șase cilindri într-un compartiment motor al unui autoturism cu tracțiune față, de exemplu, a fost realizată doar în câteva cazuri: Austin Maxi 2200 (care a necesitat plasarea cutiei de viteze sub motor) și Volvo S80 cu cutia sa de viteze ultracompactă.

Motoare în V și Plate: Compacte, dar Complexe

Cum poți scurta un motor în linie? Soluția elegantă: împarte-l în două, plasează cele două jumătăți una lângă alta și acționează un singur arbore cotit cu ambele. Aceasta este esența motorului în V.

Cele mai comune configurații de motoare în V folosesc un unghi cuprins de 60° sau 90° între bancurile de cilindri. Dacă extinzi acest unghi până la 180° — cilindrii orientați direct unul față de celălalt — obții un motor plat, cunoscut și ca motor boxer (de unde și denumirile B2, B4, B6).

Compromisurile față de un motor în linie sunt semnificative:

• Două chiulase — fiecare cu propria garnitură și colectoare
• Mai mulți arbori cu came și o distribuție mai complexă
• Lățime mai mare (în special la motoarele plate), ceea ce limitează locurile unde pot fi instalate
• Cost de fabricație mai ridicat și întreținere mai complexă

Din cauza acestor dezavantaje, motoarele plate sunt utilizate de un număr restrâns de producători — Porsche și Subaru fiind cei mai notabili în prezent.

Ce-ar fi să faci un motor în V și mai compact prin reducerea unghiului cuprins sub 60°? S-a mai făcut — Lancia Fulvia din anii 1970 folosea un motor V4 cu un unghi de doar 23°. Există însă un inconvenient: cu cât unghiul este mai mic, cu atât este mai greu să echilibrezi motorul. Și asta ne aduce la una dintre cele mai critice provocări în proiectarea motoarelor.

Vibrațiile Motorului: Forțe, Cupluri și Cum le Controlăm

Niciun motor cu ardere internă cu pistoane nu este complet lipsit de vibrații — este o caracteristică inerentă a designului. Gestionarea vibrațiilor este însă esențială, nu doar pentru confortul pasagerilor. Vibrațiile dezechilibrate severe pot distruge fizic componentele motorului, cu toate consecințele catastrofale care decurg din piese smulse la turații ridicate.

De unde provin vibrațiile unui motor? Există trei surse principale:

• Intervale de aprindere neuniforme — în anumite configurații de motoare, cursele de putere nu se declanșează la intervale perfect egale, generând pulsații de cuplu. Un volant mai greu poate contribui la uniformizarea acestora.
• Forțele de inerție ale pistonului — pe măsură ce pistonii accelerează în sus și decelerează la punctul mort superior (și invers la cel inferior), generează forțe de inerție similare celor pe care le simți când un autoturism frânează sau accelerează.
• Geometria bielei — biela nu se deplasează în linie dreaptă, iar mișcarea pistonului nu este un sinusoid perfect, ceea ce introduce componente suplimentare de forță la multiplii turației arborelui cotit.

Aceste forțe de inerție de ordin superior sunt în general neglijabile — cu excepția forțelor de ordinul doi, care acționează la de două ori frecvența arborelui cotit și trebuie întotdeauna luate în calcul. Când forțele de inerție din cilindrii adiacenți acționează în direcții opuse la o distanță fixă unul față de celălalt, generează și cupluri de torsiune, adăugând un nivel suplimentar de complexitate.

Inginerii dispun de două instrumente principale pentru a combate aceste forțe:

• Alegerea unei configurații intrinsec echilibrate — dispunerea cilindrilor și a manetonilor arborelui cotit astfel încât forțele și cuplurile să se anuleze reciproc în mod natural.
• Adăugarea de arbori de echilibrare — arbori secundari cu contragreutăți care se rotesc în sens opus arborelui cotit, generând forțe egale și de sens contrar. Aceștia adaugă costuri și complexitate mecanică, dar pot neutraliza complet modurile de vibrație problematice.

Dintre toate configurațiile uzuale de motoare, doar două sunt teoretic perfect echilibrate: motorul în linie cu șase cilindri și motorul plat cu șase cilindri. Tocmai de aceea BMW și Porsche s-au ținut atât de tenace de aceste configurații — și de aceea alții au fost reticenți să le abandoneze, în ciuda dificultăților de integrare.

Echilibrul Motoarelor pe Configurații: Un Ghid Practic

Să analizăm cum se comportă fiecare configurație majoră de motor în lumea reală din perspectiva vibrațiilor și a echilibrului.

Motoarele în linie cu doi cilindri (manetonii în aceeași direcție) se comportă similar cu un monocilindru din punct de vedere al echilibrului — ambii pistoni urcă și coboară în fază. Oka rusesc folosea doi arbori de echilibrare cu rotație contrară pentru a gestiona forțele de inerție de ordinul întâi, însă forțele de ordinul doi erau lăsate necontrolate. Adăugarea a încă doi arbori de echilibrare ar fi fost complet impractică pe un autoturism atât de mic și accesibil. Multe motoare bicilindrice — precum originalul Fiat 500 din 1957 și indianul Tata Nano — au funcționat pur și simplu fără arbori de echilibrare, bazându-se pe suporți elastici de motor pentru a absorbi vibrațiile. Ieftin, simplu și acceptabil pentru aplicații de buget.

Motoarele bicilindrice cu manetonii la 180° (pistoni în antifază) oferă un echilibru primar mai bun, dar pot obține intervale de aprindere uniforme doar în formă cu doi timpi — precum cele utilizate pe DKW-urile de dinainte de război și urmașele lor, est-germanul Trabant.

Motoarele V-twin supraviețuiesc astăzi aproape exclusiv pe motociclete — Harley-Davidson și imitatorii săi japonezi fiind exemplele evidente. NAMI-1 reprezintă practic singurul autoturism care a utilizat vreodată această configurație. Contragreutățile de pe arborele cotit îl pot aduce aproape de echilibrul complet, dar intervalele de aprindere uniforme rămân inaccesibile.

Motoarele cu trei cilindri sunt mai dezechilibrate decât un motor în linie cu patru cilindri. Producători precum Subaru și Daihatsu montează arbori de echilibrare ca dotare standard; decizia Opel de a renunța la unul în motorul Ecotec cu trei cilindri pentru a doua generație Corsa a redus costurile, dar a adus mașinii o reputație proastă în presa auto germană după debutul din 1996 — a fost descrisă drept „absolut imposibil de condus în oraș în regimuri variabile”.

Motoarele în linie cu patru cilindri — cea mai răspândită configurație din lume — au o forță de inerție de ordinul doi liberă, care poate fi neutralizată doar de un arbore de echilibrare ce funcționează la dublul turației arborelui cotit. Pentru a anula cuplul rezultat, este necesar un al doilea arbore cu rotație contrară. Costisitor, da — dar Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat și brandurile din Grupul Volkswagen au folosit cu toții acest sistem când rafinamentul o impunea.

Motoarele plate cu patru cilindri se descurcă puțin mai bine decât omologii lor în linie — rămâne doar un cuplu de inerție de ordinul doi, cu tendința de a răsuci motorul în jurul axei verticale. Chiar și așa, atât motorul Beetle răcit cu aer, cât și unitățile boxer Subaru au funcționat fără arbori de echilibrare timp de decenii.

Motoarele în linie cu cinci cilindri au forțele de inerție primare compensate, dar suferă de un cuplu de încovoiere rulant care traversează în permanență blocul — necesitând o structură excepțional de rigidă. Mercedes-Benz, Audi și Volvo au abordat această problemă prin suporți de motor rafinați și contragreutăți (precum la supraalimentatul 2,5 TFSI din Audi TT RS), în timp ce inginerii Fiat au mers mai departe și au utilizat un arbore de echilibrare complet.

O notă interesantă: aproape toate motoarele cu cinci cilindri sunt în esență motoare cu patru cilindri cu unul adăugat. Această abordare modulară permite partajarea pistoanelor, bielelor și componentelor de distribuție — doar blocul, chiulasa și arborele cotit (cu manetonii la intervale de 72°) trebuie să fie diferite.

Motoarele V6 care au înlocuit motoarele în linie cu șase cilindri au aceleași caracteristici de echilibru ca un motor cu trei cilindri — adică nu ideale. Primul motor V6 Mercedes-Benz (M112, cu trei supape pe cilindru) a rezolvat această problemă cu un arbore de echilibrare montat în „V”-ul dintre bancuri. Motorul cu șase cilindri de trei litri al Grupului PSA a plasat unul într-o chiulasă. Alți producători au optat pentru decalaje atente ale manetonilor — ca la V6-ul Audi — pentru a minimiza vibrațiile fără complexitate suplimentară. Motoarele V6 cu unghi cuprins de 90° adaugă o altă problemă: intervale de aprindere intrinsec neuniforme pe care un volant mai greu le poate compensa doar parțial.

Motoarele V8 cu unghi de 90° între bancuri și manetonii arborelui cotit în două plane mutual perpendiculare sunt foarte bine echilibrate. Intervalele de aprindere uniforme sunt realizabile, iar doar două cupluri reziduale de torsiune rămân — ușor de remediat prin contragreutăți pe fusurile de capăt ale arborelui cotit. Acesta este unul dintre motivele principale pentru care inginerii americani au îmbrățișat cu entuziasm motorul V8: pur și simplu nu tolerează vibrațiile.

Motoarele V4 erau rare și acum sunt practic dispărute din autoturisme. Ford-ul european V4 (utilizat pe Taunus, Capri și Saab 96) și ciudatul V4 al Zaporozhets-ului necesitau ambele un arbore de echilibrare pentru cuplurile de torsiune de ordinul întâi. Compactitatea și costul erau factorii determinanți — echilibrul era secundar.

Motoarele V10 au aceleași caracteristici de echilibru ca un motor în linie cu cinci cilindri. Asta nu i-a împiedicat pe proiectanții motoarelor de Formula 1, ai Dodge Viper sau ai Dodge RAM să le utilizeze — când ai nevoie de putere, gestionezi vibrațiile.

Cât privește configurațiile mai exotice: motorul plat cu opt cilindri (utilizat pe mașinile de curse Porsche 917) este efectiv format din două motoare plate cu patru cilindri pe un arbore cotit comun, în timp ce motoarele V12 și cele plate cu doisprezece cilindri se reduc la două motoare în linie cu șase cilindri — explicând mersul lor excepțional de lin.

VR6, VR5 și Motoarele W: Soluția Ingenioasă de Packaging a Volkswagen

Am atins anterior subiectul motoarelor în V cu unghi îngust, precum Lancia Fulvia. Timp de decenii, acestea au fost evitate — mai greu de echilibrat decât configurațiile de 60° sau 90°, cu avantaje de compactitate care nu păreau să justifice efortul. Apoi prioritățile s-au schimbat.

Două evoluții au schimbat regulile jocului:

• Suporții hidraulici de motor au devenit larg disponibili, suprimând dramatic transmiterea vibrațiilor indiferent de echilibrul teoretic al motorului.
• Spațiul din compartimentul motor a devenit tot mai limitat, făcând din compactitate o calitate de preț. Cine și-ar fi imaginat că un hatchback modest ar putea ascunde un motor de 2,8 litri cu șase cilindri? Volkswagen a reușit acest lucru.

Volkswagen VR6 — unde „VR” provine din V-Reihen (V-în linie) — duce conceptul de unghi îngust mai departe decât Lancia a îndrăznit vreodată, folosind un unghi de doar 15° între bancuri. Rezultatul este atât de compact încât funcționează practic ca un motor în linie decalat și, remarcabil, folosește o singură chiulasă pentru ambele bancuri. Un motor de 2,8 litri cu șase cilindri care încape acolo unde un V6 convențional n-ar fi intrat — debutat pe a treia generație Volkswagen Golf.

De acolo, inginerii Volkswagen au dus conceptul mai departe:

• VR5 a apărut ca un VR6 cu un cilindru eliminat.
• W8 a combinat două unități VR scurtate (câte patru cilindri fiecare) pe un singur arbore cotit — montat pe berlina Passat de vârf.
• W12 a debutat în 1998 pe conceptul W12 Roadster: două motoare VR6 cuplate la un unghi de 72° pe un singur arbore cotit.
• W16 — cu patru turbocompresoare — propulsează Bugatti Veyron la 431 km/h, reprezentând cea mai extremă aplicație de producție a acestei arhitecturi.

De ce nu au existat aceste configurații mai devreme? Proiectarea asistată de calculator le-a făcut posibile. Optimizarea unghiului cuprins, a pozițiilor manetonilor, a ordinii de aprindere și a caracteristicilor de echilibru pentru geometrii atât de complexe ar fi fost practic imposibilă fără puterea de calcul disponibilă din anii 1990 încoace. Arborele cotit al unui W12 este de unul singur un coșmar pentru orice mașinist — tipul de piesă care are sens doar după ce un calculator a verificat fiecare toleranță.

Ce Contează cu Adevărat în Proiectarea Reală a Motoarelor

Dacă există o concluzie de reținut din tot ce am prezentat, aceasta este că echilibrul teoretic este rareori factorul decisiv atunci când un inginer alege o configurație de motor. Prioritățile reale sunt:

• Integrarea — încape în compartimentul motor?
• Greutatea și densitatea de putere — care este cel mai bun raport pentru aplicație?
• Costul de producție — poate partaja componente cu alte modele din gamă?
• Modularitatea — tot mai mult, producătorii construiesc familii întregi de motoare pe o arhitectură comună de piston și alezaj, de la unități economice cu trei cilindri până la modele de vârf cu doisprezece cilindri

Gama actuală de motoare Mercedes-Benz este un exemplu de manual al abordării modulare: o arhitectură comună stă la baza motoarelor cu puteri și număr de cilindri foarte diferite.

Cât privește vibrațiile — merită să reținem că echilibrul teoretic și cel real sunt două lucruri complet diferite. Chiar și un motor în linie cu șase cilindri perfect echilibrat teoretic va vibra dacă ansamblul arborelui cotit nu este echilibrat corespunzător sau dacă pistoanele și bielele sale variază semnificativ în greutate. Toleranțele de producție reale și deformarea componentelor sub sarcină fac ca niciun motor să nu fie vreodată la fel de lin în practică pe cât sugerează ecuațiile. De aceea, proiectarea suporților de motor — modul în care grupul motopropulsor este izolat de restul autoturismului — este la fel de importantă ca însăși configurația. Uneori chiar mai importantă.

Acesta este un articol tradus. Puteți citi originalul aici: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html