Konfiguracija motorja: ravni, V-oblični in ploščati motorji

Na začetku 20. stoletja, ko je avtomobilsko inženirstvo napredovalo s polno hitrostjo, je 10-litrski motor lahko bil enobatni ali, recimo, ravni osemvaljnik. Takrat nikogar ni čudil 23-litrski ravni šestvaljnik ali sedemvaljni zvezdasti letalski motor, vgrajen v avtomobil.

Ko se je masovna proizvodnja razširila in se je pritisk stroškov povečal, so se stvari uredile. Enobatni motor je postal relikt preteklosti. Danes povprečna prostornina cilindra v konvencionalnem avtomobilskem motorju znaša med 300 in 600 kubičnimi centimetri, specifična moč pa od okoli 35 KM/l pri naravno sesanem dizelskem motorju do 100 KM/l pri visokozmogljivem bencinskem motorju. To so optimalne vrednosti za masovno proizvodnjo – oddaljiti se od njih preprosto ni ekonomično.

Kako torej izgleda sodobna pokrajina motorjev? Na splošno:

• Motor s 100 KM ima običajno štiri valje
• Motor z 200 KM navadno deluje s štirimi, petimi ali šestimi valji
• Motor s 300 KM pogosto uporablja osem valjev

Kako pa so lahko ti valji dejansko razporejeni? Katere možnosti postavitve imajo inženirji pri načrtovanju večvaljnega motorja? Razčlenimo.

Ravni motorji: preprosti, a vse bolj nepraktični

Najpomembnejše vprašanje za vsakega načrtovalca motorjev je, kako poenostaviti zasnovo – ohraniti nizke stroške proizvodnje in enostavno vzdrževanje. V tem pogledu zmaga vrstni (ravni) motor brez dvoma. Valji so razporejeni v enem samem nizu, povečanje prostornine pa je preprosto kot dodajanje novih valjev.

Tukaj je pregled različic vrstnih motorjev v praksi:

• Dvo- in trocilindarski motorji so v avtomobilih razmeroma redki, čeprav se dvovaljni format vrača zahvaljujoč napredni tehniki vbrizgavanja goriva in turbopolnjenju – primer je 85 KM turbopolnjeni dvovaljnik v Fiatu 500.
• Ravni štirivaljnik je delovni konj sveta osebnih avtomobilov, ki pokriva prostornine od 1,0 do 2,4 litra.
• Ravni petvaljniki so novejši razvoj. Mercedes-Benz je bil pionir dizelskega petvaljnika leta 1974 (300D na platformi W123), dve leti pozneje ga je sledil Audijev dvolitrski bencinski petvaljnik, nato pa sta v poznih osemdesetih letih pridružila še Volvo in Fiat.
• Ravni šestvaljniki, ki so bili dolgo evropski favorit zaradi svoje gladkosti, so postali vse redkejši. Njihov še daljši sorodnik, ravni osemvaljnik, je bil praktično opuščen že v tridesetih letih prejšnjega stoletja.

Razlog za ta trend je jasen: več valjev kot dodaš, daljši postane motor – in to ustvarja resne težave z namestitvijo. Vgradnja ravnega šestvaljnika prečno v motorni prostor s prednjim pogonom je bila izvedena le v peščici primerov: Austin Maxi 2200 (ki je zahteval, da je bil menjalnik nameščen pod motorjem) in Volvo S80 z ultra kompaktnim menjalnikom.

V-oblični in ploščati motorji: kompaktni, a kompleksni

Kako torej skrajšate vrstni motor? Elegantna rešitev: razdelite ga na pol, postavite obe polovici drug ob drugo in poganjate eno ročično gred z obema. To je bistvo V-motorja.

Najpogostejše konfiguracije V-motorjev uporabljajo vključni kot 60° ali 90° med blokoma cilindrov. Potisnite ta kot vse do 180° – valji kažejo neposredno stran drug od drugega – in dobite ploščati motor, znan tudi kot boksarski motor (od tod oznake B2, B4, B6).

Kompromisi v primerjavi z ravnim motorjem so pomembni:

• Dve glavi motorja – vsaka s svojo tesnilko in razdelilniki
• Več odmičnih gredi in bolj kompleksna ureditev pogona ventilov
• Večja širina (zlasti pri ploščatih motorjih), ki omejuje, kam jih je mogoče namestiti
• Višji stroški proizvodnje in bolj kompleksno servisiranje

Zaradi teh pomanjkljivosti ploščate motorje uporablja le malo proizvajalcev – danes sta najpomembnejša Porsche in Subaru.

Kaj pa, če bi V-motor naredili še bolj kompakten z zmanjšanjem vključnega kota pod 60°? To je bilo storjeno – Lancia Fulvia iz sedemdesetih let je imela V4 z zgolj 23° kotom. Toda tu je past: ožji kot je kot, težje je uravnotežiti motor. Kar nas privede do enega najpomembnejših izzivov pri načrtovanju motorjev.

Vibracije motorja: sile, navori in kako jih obvladati

Nobeden batni motor z notranjim zgorevanjem ni popolnoma brez vibracij – to je inherentno zasnovi. Toda upravljanje vibracij je ključnega pomena, ne le za udobje potnikov. Hude neuravnotežene vibracije lahko fizično uničijo komponente motorja, z vsemi katastrofalnimi posledicami, ki jih prinese razletanje delov pri visoki hitrosti.

Od kod izvirajo vibracije motorja? Obstajajo trije glavni viri:

• Neenakomerni intervali vžiga – v nekaterih konfiguracijah motorjev delovni takti ne prožijo v popolnoma enakih intervalih, kar ustvarja kolebanje navora. Težji vztrajnik lahko pomaga to izravnati.
• Vztrajnostne sile bata – ko se bati pospešijo navzgor in upočasnijo na vrhu svojega giba (in obratno na dnu), ustvarjajo vztrajnostne sile, podobne tistim, ki jih občutite, ko avtomobil zavira ali pospeši.
• Geometrija ojnice – ojnica ne potuje v ravni liniji, gibanje bata pa ni popolna sinusoida, kar uvaja dodatne komponente sile pri večkratnikih hitrosti ročične gredi.

Te višjeredne vztrajnostne sile so na splošno zanemarljive – razen sil drugega reda, ki delujejo pri dvojni frekvenci ročične gredi in jih je vedno treba upoštevati. Ko vztrajnostne sile v sosednjih valjih delujejo v nasprotnih smereh na fiksni razdalji drug od drugega, ustvarjajo tudi navorne pare, kar dodaja še eno plast kompleksnosti.

Inženirji imajo dva glavna orodja za boj proti tem silam:

• Izberite inherentno uravnoteženo konfiguracijo – razporedite valje in ročice ročične gredi tako, da se sile in navori medsebojno naravno izničijo.
• Dodajte uravnotežilne gredi – sekundarne gredi s protiutežmi, ki se vrtijo v nasprotni smeri ročične gredi, ustvarjajo enake in nasprotne sile. To dodaja stroške in mehansko kompleksnost, a lahko popolnoma nevtralizira problematične načine vibracij.

Od vseh pogostih postavitev motorjev sta le dve teoretično popolnoma uravnoteženi: ravni šestvaljnik in ploščati šestvaljnik. Prav to je razlog, zakaj sta BMW in Porsche tako trdno obdržala te konfiguracije – in zakaj so se drugi oklevali, da bi jih opustili kljub težavam z namestitvijo.

Ravnotežje motorja po konfiguraciji: praktični vodnik

Poglejmo, kako se vsaka glavna konfiguracija motorja obnese v resničnem svetu glede vibracij in ravnotežja.

Dvovaljni ravni motorji (ročice v isti smeri) se glede ravnotežja obnašajo podobno kot enovalj – oba bata se dvigata in spuščata v fazi. Ruski Oka je uporabljal dve protirotacijski uravnotežilni gredi za obvladovanje vztrajnostnih sil prvega reda, sile drugega reda pa so ostale neupoštevane. Dodajanje še dveh uravnotežilnih gredi bi bilo za tako majhen, cenovno ugoden avtomobil povsem nepraktično. Mnogi dvovaljniki – kot originalni Fiat 500 iz leta 1957 in indijski Tata Nano – so preprosto delovali brez uravnotežilnih gredi, pri čemer so se zanašali na prožne opore motorja za absorpcijo vibracij. Poceni, preprosto in sprejemljivo za proračunske aplikacije.

Dvovaljni motorji z ročicami pri 180° (bati se gibljejo v protifazi) ponujajo boljše primarno ravnotežje, a lahko dosežejo enakomerne intervale vžiga le v dvotaktni obliki – kot pri predvojnih DKW-jih in njihovih naslednikih, vzhodnonemškem Trabantu.

V-dvojčki preživijo danes skoraj izključno na motornih kolesih – Harley-Davidson in njegovi japonski posnemovalci so očitni primeri. NAMI-1 je praktično edini avtomobil, ki je kdaj koli uporabljal to postavitev. Protiuteži na ročični gredi ga lahko pripeljejo blizu popolnega ravnotežja, a enakomernih intervalov vžiga ni mogoče doseči.

Trocilindarski motorji so slabše uravnoteženi kot ravni štirivaljnik. Proizvajalci, kot sta Subaru in Daihatsu, standardno vgrajujejo uravnotežilne gredi; Opelova odločitev, da jo izpusti v trocilindrskem motorju Ecotec za drugo generacijo Corse, je prihranila stroške, a je avtomobilu prinesla slab sloves v nemškem avtomobilskem tisku po debitiranemu letu 1996 – opisali so ga kot »absolutno nemogoče voziti po mestu v spremenljivih načinih vožnje«.

Ravni štirivaljniki – najpogostejša postavitev na svetu – imajo prosto vztrajnostno silo drugega reda, ki jo je mogoče nevtralizirati le z uravnotežilno gredjo, ki teče pri dvojni hitrosti ročične gredi. Za izničenje nastalega navora je potrebna druga protirotacijska gred. Drago, res – a Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat in blagovne znamke Volkswagen Group so to vse izvedli, kadar je to zahtevala stopnja izpopolnjenosti.

Ploščati štirivaljniki se odrežejo nekoliko bolje od svojih vrstnih kolegov – ostane le navorno par drugega reda, ki nagiba motor okoli njegove navpične osi. Kljub temu sta tako z zrakom hlajeni motor Hrošča kot Subarujeve bokserske enote desetletja delale brez uravnotežilnih gredi.

Ravni petvaljniki imajo kompenzirane primarne vztrajnostne sile, a trpijo zaradi kotrljajočega upogibnega navora, ki nenehno potuje skozi blok – kar zahteva izjemno togo strukturo. Mercedes-Benz, Audi in Volvo so to reševali z izpopolnjenimi oporami motorja in protiutežmi (kot npr. kompresorski 2,5 TFSI v Audiju TT RS), medtem ko so Fiatovi inženirji šli dlje in uporabili polno uravnotežilno gred.

Zanimiva opomba: skoraj vsi petvaljniki so v bistvu štirivaljniki z enim dodatnim valjemom. Ta modularni pristop omogoča deljene bate, ojnice in komponente ventilnega mehanizma – spremeniti je treba le blok, glavo in ročično gred (z ročicami pri intervalih 72°).

V6 motorji, ki so nadomestili ravne šestvaljnike, imajo enake lastnosti ravnotežja kot trocilindarski – kar ni idealno. Prvi Mercedes-Benz V6 (M112, s tremi ventili na valj) je to rešil z uravnotežilno gredjo, nameščeno v dolini med blokoma. PSA Group-ov trimlitrski šestvaljnik je eno namestil v glavo motorja. Drugi proizvajalci so se odločili za skrbno zamikanje čepov ročičnih ramen – kot pri Audijevem V6 – da bi zmanjšali vibracije brez dodane kompleksnosti. V6 motorji z vključnim kotom 90° dodajajo še eno težavo: inherentno neenakomerne intervale vžiga, ki jih obteženi vztrajnik le delno izgladi.

V8 motorji z bančnim kotom 90° in ročicami ročične gredi v dveh med seboj pravokotnih ravninah so zelo dobro uravnoteženi. Enakomerni intervali vžiga so dosegljivi in ostaneta le dva preostala navorna para – zlahka rešena s protiutežmi na skrajnih ležajnih mestih ročične gredi. To je velik del razloga, zakaj so ameriški inženirji tako navdušeno sprejeli V8: preprosto ne tolerirajo vibracij.

V4 motorji so bili redki in so danes v avtomobilih skoraj izumrli. Evropski Fordov V4 (uporabljen v Taunusu, Capri in Saabu 96) in čudaški V4 Zaporožca sta oba zahtevala uravnotežilno gred za navorne pare prvega reda. Kompaktnost in stroški so bili gonilni dejavniki – ravnotežje je bilo drugotnega pomena.

V10 motorji imajo enake lastnosti ravnotežja kot ravni petvaljnik. To ni preprečilo načrtovalcem motorjev Formule 1, Dodge Viperja ali Dodge RAM-a, da bi jih uporabili – kadar potrebujete moč, obvladate vibracije.

Kar zadeva eksotičnejše postavitve: ploščati osemvaljnik (kot je bil uporabljen v dirkačih Porsche 917) je v bistvu dva ploščata štirivaljnika na skupni ročični gredi, medtem ko se motorji V12 in ploščato-12 reducirajo na dva ravna šestvaljnika – kar pojasnjuje njihovo izjemno gladkost.

VR6, VR5 in W-motorji: Volkswagnova mojstrovina pakiranja

Prej smo omenili ozkopalčne V-motorje, kot je Lancia Fulvia. Desetletja so se jim izogibali – težje uravnotežiti kot postavitve 60° ali 90°, s prednostmi glede prostora, ki se niso zdele vredne truda. Nato so se prioritete spremenile.

Dve dogajanji sta spremenili pravila igre:

• Hidravlični nosilci motorja so postali široko dostopni, kar je dramatično zatrlo prenos vibracij ne glede na teoretično ravnotežje motorja.
• Prostor pod pokrovom motorja je postal vse bolj dragocen, kar je kompaktnost naredilo za premium lastnost. Kdo bi si mislil, da skromni hatchback skriva 2,8-litrski šestvaljni motor? Volkswagen je to uresničil.

Volkswagen VR6 – »VR« pomeni V-Reihen (V-vrstni) – gre z ozkopalčnim konceptom dlje, kot je kdaj koli naredila Lancia, z zgolj 15° kotom med blokoma. Rezultat je tako kompakten, da v bistvu deluje kot odmaknjeni vrstni motor, in kar je izjemno, uporablja eno samo glavo motorja za oba bloka. 2,8-litrski šestvaljni motor, ki se prilega tam, kjer se običajni V6 ne bi – debitiral v tretji generaciji Volkswagen Golfa.

Od tod so Volkswagnovi inženirji razvijali koncept naprej:

• VR5 je prišel kot VR6 z odstranjenim enim valjom.
• W8 je združil dve skrajšani VR enoti (vsaka s štirimi valji) na eni ročični gredi – nameščen v vrhunsko limuzino Passat.
• W12 je debitiral leta 1998 na konceptu W12 Roadster: dva motorja VR6 spojena pri kotu 72° na eni ročični gredi.
• W16 – s štirimi turbopolnilniki – poganja Bugatti Veyron do 431 km/h, kar ga dela za najbolj ekstremen produkcijski primer te arhitekture.

Zakaj te postavitve prej niso obstajale? Sodobno računalniško podprto načrtovanje jih je omogočilo. Optimizacija vključnega kota, položajev čepov ročičnih ramen, vrstnega reda vžiga in lastnosti ravnotežja v takšnih kompleksnih geometrijah bi bila praktično nemogoča brez računalniške moči, dostopne od devetdesetih let dalje. Ročična gred W12 sama po sebi je strojnikova nočna mora – vrsta dela, ki ima smisel le, ko je računalnik preveril vsako toleranco.

Kaj dejansko šteje pri načrtovanju motorjev v resničnem svetu

Če je iz vsega tega ena ključna ugotovitev, je to, da teoretično ravnotežje redko odloča, ko inženir izbira postavitev motorja. Resnične prioritete so:

• Namestitvena prostornina – ali se motor prilega v motorni prostor?
• Teža in gostota moči – kakšno je najboljše razmerje za aplikacijo?
• Stroški proizvodnje – ali lahko motor deli komponente v celotnem modelu?
• Modularnost – vse pogosteje proizvajalci gradijo celotne družine motorjev iz skupne arhitekture bata in vrtine, od tricilindrskih enot za ekonomično vožnjo do dvanajstvaljnih prestižnih modelov

Trenutna ponudba motorjev Mercedes-Benza je učbeniški primer modularnega pristopa: skupna arhitektura je osnova motorjev pri zelo različnih izhodnih močeh in številih valjev.

Kar zadeva vibracije – vredno je spomniti, da sta teoretično in dejansko ravnotežje dve zelo različni stvari. Celo popolnoma uravnoteženi ravni šestvaljnik bo trepetal, če sklop ročične gredi ni pravilno uravnotežen ali če se bati in ojnice opazno razlikujejo po teži. Dejanske proizvodne tolerance in deformacija komponent pod obremenitvijo pomenijo, da v praksi nobeden motor ni nikoli tako gladek, kot enačbe nakazujejo. Zato je zasnova opor motorja – način, kako je pogonski sklop izoliran od preostalega dela avtomobila – prav tako pomembna kot sama postavitev. Včasih celo bolj.

To je prevod. Izvirnik si lahko preberete tukaj: https://www.drive.ru/technic/4efb337800f11713001e54e1.html