Konfigurácia motora: Radové, V-tvarové a ploché motory

Na úsvite 20. storočia, keď automobilové inžinierstvo napredovalo plnou rýchlosťou, 10-litrový motor mohol byť buď jednovalcovým agregátom, alebo napríklad radovou osemvalcovkou. V tom čase nikoho ani nenapadlo pozastaviť sa nad 23-litrovým radovým šesťvalcom alebo sedemvalcovým hviezdicovým leteckým motorom preneseným do automobilu.

Ako sa masová výroba rozšírila a cenové tlaky zosilneli, všetko si našlo svoje miesto. Jednovalcový motor sa stal relikviou minulosti. Dnes sa priemerný zdvihový objem valca v bežnom automobilovom motore pohybuje medzi 300 a 600 kubickými centimetrami, pričom merný výkon sa pohybuje od približne 35 k/l u atmosferického diesela až po 100 k/l u vysokovýkonného benzínového motora. To sú ideálne hodnoty pre sériovú výrobu — vybočenie z nich jednoducho nie je ekonomické.

Ako teda vyzerá súčasná motorová scéna? Vo všeobecnosti platí:

• Motor s výkonom 100 k má zvyčajne štyri valce
• Motor s výkonom 200 k zvyčajne beží na štyri, päť alebo šesť valcov
• Motor s výkonom 300 k bežne využíva osem valcov

Ale ako môžu byť tieto valce skutočne usporiadané? Aké možnosti rozloženia majú inžinieri pri navrhovaní viacvalcového motora? Poďme si to rozobrať.

Radové motory: Jednoduché, ale čoraz menej praktické

Prvoradá otázka každého konštruktéra motorov je, ako zjednodušiť konštrukciu — udržať výrobné náklady nízke a údržbu jednoduchú. V tomto ohľade radový (priamočiary) motor vyhrýva na celej čiare. Valce sú usporiadané v jednom rade a zvyšovanie objemu je také jednoduché ako pridanie ďalších valcov.

Tu je prehľad variantov radových motorov v praxi:

• Dvoj- a trojvalcové motory sú v automobiloch pomerne zriedkavé, hoci dvojvalcový formát sa vracia vďaka pokročilému priamemu vstrekovaniu paliva a turbodúchadlu — 85-koňový turbodúchadlový dvojvalec vo Fiate 500 je toho ukážkovým príkladom.
• Radový štvorvalec je ťažným koňom sveta osobných automobilov, pokrývajúc zdvihové objemy od 1,0 do 2,4 litra.
• Radové päťvalce sú novším vývojom. Mercedes-Benz bol priekopníkom dieselového päťvalca v roku 1974 (300D na platforme W123), o dva roky neskôr nasledovalo Audi s dvojlitrovým benzínovým päťvalcom, potom sa koncom 80. rokov pridali Volvo a Fiat.
• Radové šesťvalce, dlhodobo európski obľúbenci pre svoju plynulosť chodu, sú čoraz vzácnejšie. Ich ešte dlhší súrodenec, radový osemvalec, bol fakticky opustený už v 30. rokoch.

Dôvod tohto trendu je priamočiary: čím viac valcov pridáte, tým dlhší motor vzniká — a to spôsobuje vážne problémy s umiestňovaním. Napríklad umiestniť radový šesťvalec priečne do motorového priestoru vozidla s pohonom predných kolies sa podarilo len v hŕstke prípadov: Austin Maxi 2200 (ktorý vyžadoval umiestnenie prevodovky pod motorom) a Volvo S80 s jeho mimoriadne kompaktnou prevodovkou.

V-tvarové a ploché motory: Kompaktné, ale zložité

Ako teda skrátiť radový motor? Elegantné riešenie: rozdeliť ho na polovicu, umiestniť obe polovice vedľa seba a poháňať spoločný kľukový hriadeľ oboma. To je podstata V-motora.

Najbežnejšie konfigurácie V-motorov využívajú uhol zvierania 60° alebo 90° medzi radmi valcov. Keď tento uhol rozšírite až na 180° — valce smerujú priamo od seba — vznikne plochý motor, tiež známy ako boxer motor (odtiaľ označenia B2, B4, B6).

Kompromisy v porovnaní s radovým motorom sú významné:

• Dve hlavy valcov — každá s vlastným tesnením a potrubím
• Viac vačkových hriadeľov a zložitejšie usporiadanie rozvodu ventilov
• Väčšia šírka (najmä u plochých motorov), čo obmedzuje možnosti inštalácie
• Vyššie výrobné náklady a zložitejší servis

Kvôli týmto nevýhodám využíva ploché motory len malý počet výrobcov — dnes sú najznámejšími Porsche a Subaru.

A čo keby sme V-motor ešte viac zmenšili zúžením uhla zvierania pod 60°? Stalo sa to — Lancia Fulvia zo 70. rokov mala štvorcylindrový V-motor s uhlom len 23°. Je tu však háčik: čím užší uhol, tým ťažšie je motor vyvážiť. Čo nás privádza k jednej z najkritickejších výziev v konštrukcii motorov.

Vibrácie motora: Sily, momenty a ako ich zvládnuť

Žiaden piestový spaľovací motor nie je úplne bez vibrácií — je to inherentná vlastnosť konštrukcie. Zvládanie vibrácií je však kľúčové, nielen pre pohodlie cestujúcich. Silné nevyvážené vibrácie môžu fyzicky zničiť komponenty motora, so všetkými katastrofálnymi dôsledkami, ktoré nastanú, keď sa súčiastky uvoľnia pri vysokej rýchlosti.

Odkiaľ pochádzajú vibrácie motora? Existujú tri hlavné zdroje:

• Nerovnomerné intervaly zapaľovania — v niektorých konfiguráciách motorov sa pracovné zdvihy nevykonávajú v dokonale rovnakých intervaloch, čím vzniká zvlnenie točivého momentu. Ťažší zotrvačník môže pomôcť toto vyrovnať.
• Zotrvačné sily piestu — keď sa piesty zrýchľujú nahor a spomaľujú na hornom úvrati (a naopak na spodnom), generujú zotrvačné sily podobné tomu, čo cítite, keď auto brzdí alebo zrýchľuje.
• Geometria ojnice — ojnica sa nepohybuje priamočiaro a pohyb piestu nie je dokonalá sínusoida, čo vnáša ďalšie zložky síl pri násobkoch rýchlosti kľukového hriadeľa.

Tieto vyššie rádu zotrvačných síl sú vo všeobecnosti zanedbateľné — s výnimkou síl druhého rádu, ktoré pôsobia pri dvojnásobku frekvencie kľukového hriadeľa a musia byť vždy brané do úvahy. Keď zotrvačné sily v susedných valcoch pôsobia v opačných smeroch vo fixnej vzdialenosti od seba, generujú tiež silové dvojice, čo pridáva ďalšiu vrstvu zložitosti.

Inžinieri majú dve hlavné zbrane v boji proti týmto silám:

• Zvoliť inherentne vyváženú konfiguráciu — usporiadať valce a ramená kľukového hriadeľa tak, aby sa sily a momenty navzájom prirodzene rušili.
• Pridať vyvažovacie hriadele — sekundárne hriadele s protizávažiami, ktoré sa otáčajú v opačnom smere ako kľukový hriadeľ a generujú rovnaké a opačné sily. To pridáva náklady a mechanickú zložitosť, ale môže plne neutralizovať problematické vibračné režimy.

Zo všetkých bežných usporiadaní motorov sú len dve teoreticky dokonale vyvážené: radový šesťvalec a plochý šesťvalec. Práve preto sa BMW a Porsche tak pevne držia týchto konfigurácií — a preto ostatní váhajú ich opustiť napriek problémom s umiestňovaním.

Vyváženie motora podľa konfigurácie: Praktický sprievodca

Pozrime sa, ako si každá hlavná konfigurácia motora vedie v reálnom svete, pokiaľ ide o vibrácie a vyváženie.

Dvojvalcové radové motory (kľuky v rovnakom smere) sa z hľadiska vyváženia správajú podobne ako jednovalec — oba piesty stúpajú a klesajú vo fáze. Ruská Oka používala dva protichodne rotujúce vyvažovacie hriadele na zvládanie zotrvačných síl prvého rádu, ale sily druhého rádu zostali nekontrolované. Pridanie ďalších dvoch vyvažovacích hriadeľov by bolo na takomto malom, dostupnom automobile úplne nepraktické. Mnoho dvojvalcových motorov — ako pôvodný Fiat 500 z roku 1957 a indický Tata Nano — jednoducho fungovalo bez vyvažovacích hriadeľov, pričom na absorbovanie vibrácií sa spoliehali poddajné uloženia motora. Lacné, jednoduché a prijateľné pre rozpočtové aplikácie.

Dvojvalcové motory s kľukami v uhle 180° (piesty pohybujúce sa v protifáze) ponúkajú lepšie primárne vyváženie, ale môžu dosiahnuť rovnomerné intervaly zapaľovania len v dvojtaktnom prevedení — ako sa používalo na predvojnových DKW a ich potomkoch, východonemeckom Trabante.

Dvojvalcové V-motory prežívajú dnes takmer výlučne na motocykloch — Harley-Davidson a jeho japonskí napodobnitelia sú zrejmými príkladmi. NAMI-1 je prakticky jediným automobilom, ktorý kedy toto usporiadanie použil. Protizávažia na kľukovom hriadeli môžu priblížiť motor k úplnému vyváženiu, ale rovnomerné intervaly zapaľovania zostávajú nedosiahnuteľné.

Trojvalcové motory sú horšie vyvážené ako radový štvorvalec. Výrobcovia ako Subaru a Daihatsu montujú vyvažovacie hriadele ako štandard; rozhodnutie Opelu vynechať jeden v trojvalcovom Ecotec pre druhú generáciu Corsy ušetrilo náklady, ale motor si získal zlú povesť v nemeckej automobilovej tlači po svojom debute v roku 1996 — bol opísaný ako „absolútne nemožný na jazdu po meste v premenlivých režimoch”.

Radové štvorvalcové motory — najbežnejšie usporiadanie na svete — majú voľnú zotrvačnú silu druhého rádu, ktorú možno neutralizovať len vyvažovacím hriadeľom bežiacim pri dvojnásobku rýchlosti kľukového hriadeľa. Na zrušenie výsledného momentu je potrebný druhý protichodne rotujúci hriadeľ. Nákladné, áno — ale Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat a značky skupiny Volkswagen toto riešenie použili, keď si to kultivovanosť vyžadovala.

Ploché štvorvalcové motory si vedú o niečo lepšie ako ich radové náprotivky — zostáva len silová dvojica druhého rádu, ktorá má tendenciu otáčať motor okolo jeho zvislej osi. Napriek tomu vzduchlom chladený motor Beetle aj boxerové agregáty Subaru fungujú bez vyvažovacích hriadeľov celé desaťročia.

Radové päťvalcové motory majú kompenzované primárne zotrvačné sily, no trpia rotujúcim ohybovým momentom, ktorý neustále prechádza blokom — čo si vyžaduje mimoriadne tuhú konštrukciu. Mercedes-Benz, Audi a Volvo sa s tým vyrovnali prostredníctvom prepracovaných uložení motora a protizávaží (napríklad preplňovaný 2,5 TFSI v Audi TT RS), zatiaľ čo inžinieri Fiatu zašli ďalej a použili plnohodnotný vyvažovací hriadeľ.

Zaujímavá poznámka: takmer všetky päťvalcové motory sú v podstate štvorvalcové motory s jedným ďalším valcom pridaným navyše. Tento modulárny prístup umožňuje zdieľanie piestov, ojníc a súčiastok rozvodového mechanizmu — meniť treba len blok, hlavu valcov a kľukový hriadeľ (s ramenami v intervaloch 72°).

Šesťvalcové V-motory, ktoré nahradili radové šesťvalce, majú rovnaké vyvažovacie vlastnosti ako trojvalec — čo znamená, že nie sú ideálne. Prvý šesťvalcový V-motor Mercedes-Benz (M112 s tromi ventilmi na valec) to riešil vyvažovacím hriadeľom umiestneným v priestore medzi radmi valcov. Trojlitrový šesťvalec skupiny PSA umiesnil jeden do hlavy valcov. Iní výrobcovia zvolili starostlivé odsadenie čapov kľukového hriadeľa — ako na V6 Audi — aby minimalizovali vibrácie bez pridanej zložitosti. Šesťvalcové V-motory s uhlom zvierania 90° prinášajú ďalší problém: inherentne nerovnomerné intervaly zapaľovania, ktoré ťažký zotrvačník dokáže len čiastočne vyhladiť.

Osemvalcové V-motory s uhlom radov 90° a ramenami kľukového hriadeľa v dvoch navzájom kolmých rovinách sú veľmi dobre vyvážené. Rovnomerné intervaly zapaľovania sú dosiahnuteľné a zostávajú len dve reziduálne silové dvojice — ľahko riešiteľné protizávažiami na krajných čapoch kľukového hriadeľa. To je veľkou súčasťou dôvodu, prečo americkí inžinieri tak nadšene prijali V8: jednoducho netolerujú vibrácie.

Štvorcylindrové V-motory boli zriedkavé a v automobiloch sú teraz takmer vyhynuté. Európsky Ford V4 (používaný v modeloch Taunus, Capri a Saab 96) a originálny V4 Zaporožca si vyžadovali vyvažovací hriadeľ pre silové dvojice prvého rádu. Kompaktnosť a cena boli hlavnými faktormi — vyváženie bolo druhoradé.

Desaťvalcové V-motory majú rovnaké vyvažovacie vlastnosti ako radový päťvalec. To nezabránilo konštruktérom motorov Formuly 1, Dodge Vipera ani Dodge RAM ich použiť — keď potrebujete výkon, vibrácie sa dajú zvládnuť.

Pokiaľ ide o exotickejšie konfigurácie: plochý osemvalec (používaný v závodných automobiloch Porsche 917) je v podstate dvomi plochými štvorvalcami na spoločnom kľukovom hriadeli, zatiaľ čo dvanásťvalcové V-motory a ploché dvanásťvalce sa redukujú na dve radové šesťvalce — čo vysvetľuje ich výnimočnú plynulosť chodu.

VR6, VR5 a W-motory: Majstrovský kúsok Volkswagenu v oblasti kompaktnosti

Skôr sme sa dotkli V-motorov s úzkym uhlom, ako je Lancia Fulvia. Celé desaťročia sa im vyhýbali — ťažšie vyvážiteľné ako konfigurácie 60° alebo 90°, pričom výhody kompaktnosti sa nezdali stáť za problémy. Potom sa priority zmenili.

Dve udalosti zmenili pravidlá hry:

• Hydraulické uloženia motora sa stali široko dostupnými, čo dramaticky potlačilo prenos vibrácií bez ohľadu na teoretické vyváženie motora.
• Priestor pod kapotou bol čoraz obmedzenejší, čo z kompaktnosti robilo prémiový atribút. Kto by si bol pomyslel, že skromný hatchback ukrýva 2,8-litrový šesťvalcový motor? Volkswagen to dokázal.

Volkswagen VR6 — kde „VR” znamená V-Reihen (V-radový) — posúva koncept úzkeho uhla ďalej než kedy Lancia, pričom používa len 15° uhol medzi radmi valcov. Výsledok je taký kompaktný, že v podstate funguje ako posunutý radový motor, a pozoruhodne využíva jednu spoločnú hlavu valcov pre oba rady. 2,8-litrový šesťvalcový motor, ktorý sa zmestí tam, kde bežný V6 nie — debutoval v tretej generácii Volkswagenu Golf.

Odtiaľto sa inžinieri Volkswagenu s konceptom rozbehlali:

• VR5 prišiel ako VR6 s jedným odstraneným valcom.
• W8 kombinoval dve skrátené VR jednotky (každá so štyrmi valcami) na spoločnom kľukovom hriadeli — namontovaný do vlajkovej limuzíny Passat.
• W12 debutoval v roku 1998 na koncepte W12 Roadster: dva motory VR6 spojené pod uhlom 72° na jednom kľukovom hriadeli.
• W16 — so štyrmi turbodúchadlami — poháňa Bugatti Veyron na rýchlosť 431 km/h, čo z neho robí najextremálnejšie sériové uplatnenie tejto architektúry.

Prečo tieto konfigurácie neexistovali skôr? Umožnil to moderný počítačom podporovaný dizajn. Optimalizácia uhla zvierania, polôh čapov kľukového hriadeľa, poradia zapaľovania a vyvažovacích vlastností v takto zložitých geometriách by bola prakticky nemožná bez výpočtového výkonu dostupného od 90. rokov. Samotný kľukový hriadeľ W12 je nočnou morou pre obrábača — súčiastka, ktorá dáva zmysel len vtedy, keď počítač overil každú toleranciu.

Čo skutočne záleží pri reálnom návrhu motorov

Ak si z toho všetkého máme odniesť jednu vec, je to, že teoretické vyváženie je zriedka rozhodujúcim faktorom pri výbere konfigurácie motora. Skutočné priority sú:

• Umiestňovanie — zmestí sa do motorového priestoru?
• Hmotnosť a hustota výkonu — aký je najlepší pomer pre danú aplikáciu?
• Výrobné náklady — môže zdieľať komponenty v rámci modelového radu?
• Modularita — čoraz viac výrobcov stavia celé rodiny motorov zo spoločnej architektúry piesta a vŕtania, od trojvalcových ekonomických jednotiek až po dvanásťvalcové vlajkové lode

Súčasná motorová ponuka Mercedes-Benz je učebnicovým príkladom modulárneho prístupu: spoločná architektúra je základom motorov s veľmi rôznymi výkonmi a počtami valcov.

A pokiaľ ide o vibrácie — stojí za zmienku, že teoretické a skutočné vyváženie sú dve veľmi odlišné veci. Aj dokonale vyvážený radový šesťvalec bude vibrovať, ak zostava kľukového hriadeľa nie je správne vyvážená alebo ak sa piesty a ojnice výrazne líšia hmotnosťou. Výrobné tolerancie v reálnom svete a deformácia komponentov pri záťaži znamenajú, že žiadny motor nie je v praxi nikdy taký plynulý, ako naznačujú rovnice. Preto je konštrukcia uloženia motora — spôsob, akým je pohonná jednotka izolovaná od zvyšku automobilu — rovnako dôležitá ako samotná konfigurácia. Niekedy dokonca dôležitejšia.

Toto je preklad. Originál si môžete prečítať tu: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html