Konfigurimi i Motorit i Shpjeguar: Motorët Në Linjë, Në Formë V dhe Të Sheshtë

Në agimin e shekullit të 20-të, kur inxhinieria e automjeteve po përparonte me shpejtësi të plotë, një motor 10-litërsh mund të ishte ose një njësi me një cilindër, ose, le të themi, një motor në linjë me tetë cilindra. Në atë kohë, askush nuk çuditej nga një motor në linjë me gjashtë cilindra prej 23 litrash apo nga një motor radial aviacioni me shtatë cilindra i transplantuar në një makinë.

Ndërsa prodhimi në masë u zgjerua dhe presionet mbi kostot u intensifikuan, gjithçka u vendos në vendin e vet. Motori me një cilindër u bë një relikt i së kaluarës. Sot, zhvendosja mesatare e cilindrit në një motor konvencional makine luhatet mes 300 dhe 600 centimetra kub, me një fuqi specifike që varion nga rreth 35 kf/l në një dizel me thithje natyrale deri në 100 kf/l në një motor benzine me performancë të lartë. Këto janë pikat ideale për prodhimin masiv — dalja jashtë tyre thjesht nuk është ekonomike.

Pra, si duket panorama e motorëve modernë? Në përgjithësi:

• Një motor 100 kf zakonisht ka katër cilindra
• Një motor 200 kf zakonisht ka katër, pesë ose gjashtë cilindra
• Një motor 300 kf përdor zakonisht tetë cilindra

Por si mund të rregullohen në të vërtetë këto cilindra? Çfarë opsionesh paraqitjeje kanë inxhinierët kur projektojnë një motor me shumë cilindra? Le ta zbërthejmë.

Motorët Në Linjë: Të Thjeshtë por Gjithnjë e Më Jopraktikë

Pyetja numër një në mendjen e çdo projektuesi motorësh është se si ta thjeshtojë dizajnin — duke i mbajtur kostot e prodhimit të ulëta dhe mirëmbajtjen të lehtë. Në këtë drejtim, motori në linjë (i drejtë) fiton pa diskutim. Cilindrat janë të rregulluar në një rresht të vetëm, dhe rritja e kapacitetit është aq e lehtë sa shtimi i sa më shumë prej tyre.

Ja se si zbërthehen në praktikë variantet e motorit në linjë:

• Motorët me dy dhe tre cilindra janë relativisht të rrallë në makina, megjithëse formati me dy cilindra po bën një rikthim falë injektimit të avancuar të karburantit dhe turbombushjes — motori me dy cilindra me turbo prej 85 kf në Fiat 500 është një shembull kryesor.
• Motori në linjë me katër cilindra është kali i punës i botës së makinave pasagjere, duke mbuluar zhvendosje nga 1.0 deri në 2.4 litra.
• Motorët në linjë me pesë cilindra janë një zhvillim më i fundit. Mercedes-Benz nisi i pari motorin dizel me pesë cilindra në vitin 1974 (modeli 300D në platformën W123), i pasuar nga motori benzine dy-litërsh me pesë cilindra i Audi-t dy vjet më vonë, dhe më pas Volvo dhe Fiat iu bashkuan gjatë fundit të viteve 1980.
• Motorët në linjë me gjashtë cilindra, prej kohësh të preferuarit e evropianëve për qetësinë e tyre, janë bërë gjithnjë e më të rrallë. Vëllai i tyre edhe më i gjatë, motori në linjë me tetë cilindra, u braktis në fakt qysh në vitet 1930.

Arsyeja për këtë prirje është e thjeshtë: sa më shumë cilindra të shtosh, aq më i gjatë bëhet motori — dhe kjo krijon dhimbje koke serioze për përshtatjen. Vendosja e një motori në linjë me gjashtë cilindra tërthor në hapësirën e motorit të një makine me tërheqje në rrotat e përparme, për shembull, është realizuar vetëm në pak raste: Austin Maxi 2200 (që kërkonte që kutia e shpejtësisë të futej poshtë motorit) dhe Volvo S80 me kutinë e tij ultra-kompakte të shpejtësisë.

Motorët Në Formë V dhe Të Sheshtë: Kompaktë por Kompleksë

Pra, si e shkurtoni një motor në linjë? Zgjidhja elegante: ndajeni atë në dy pjesë, vendosini të dyja gjysmat krah për krah dhe vërini në lëvizje një bosht të vetëm me të dyja. Kjo është thelbi i motorit në formë V.

Konfigurimet më të zakonshme të motorit në formë V përdorin një kënd të përfshirë prej 60° ose 90° midis bankave të cilindrave. Shtyjeni atë kënd deri në 180° — me cilindrat që drejtohen direkt larg njëri-tjetrit — dhe merrni një motor të sheshtë, i njohur edhe si motor bokser (prej nga rrjedhin emërtimet B2, B4, B6).

Kompromiset në krahasim me një motor në linjë janë të rëndësishme:

• Dy koka cilindrash — secila me guarnicionin dhe kolektorët e vet
• Më shumë bosht-lëvizës dhe një rregullim më kompleks të lëvizjes së valvulave
• Gjerësi më e madhe (sidomos për motorët e sheshtë), që kufizon vendet ku mund të instalohen
• Kosto më e lartë prodhimi dhe servisim më kompleks

Për shkak të këtyre të metave, motorët e sheshtë përdoren vetëm nga një numër i vogël prodhuesish — Porsche dhe Subaru janë më të shquarit sot.

Po sikur ta bënit një motor në formë V edhe më kompakt duke zvogëluar këndin e përfshirë nën 60°? Kjo është bërë — Lancia Fulvia e viteve 1970 kishte një motor V4 me një kënd vetëm prej 23°. Por ka një hile: sa më i ngushtë të jetë këndi, aq më i vështirë është balancimi i motorit. Kjo na sjell tek një nga sfidat më kritike në projektimin e motorëve.

Dridhjet e Motorit: Forcat, Momentet dhe Si t’i Zbusim Ato

Asnjë motor me djegie të brendshme me piston nuk është plotësisht i lirë nga dridhjet — kjo është e natyrshme për dizajnin. Por menaxhimi i dridhjeve është kritik, jo vetëm për komoditetin e pasagjerëve. Dridhjet e rënda të çbalancuara mund të shkatërrojnë fizikisht komponentët e motorit, me të gjitha pasojat katastrofike që vijnë kur pjesët shkëputen me shpejtësi të lartë.

Nga vijnë dridhjet e motorit? Ka tre burime kryesore:

• Intervale të pabarabarta ndezjeje — në disa konfigurime motorësh, goditjet e fuqisë nuk ndizen në intervale plotësisht të barabarta, duke krijuar valëzim të momentit të rrotullimit. Një volant më i rëndë mund të ndihmojë në zbutjen e kësaj.
• Forcat e inercisë së pistonit — ndërsa pistonat përshpejtohen lart dhe ngadalësohen në majë të goditjes së tyre (dhe anasjelltas poshtë), ata gjenerojnë forca inerciale të ngjashme me ato që ndien kur një makinë frenon ose përshpejton.
• Gjeometria e bjellës — bjella nuk lëviz në vijë të drejtë, dhe lëvizja e pistonit nuk është një sinusoid i përsosur, gjë që fut komponentë shtesë force në shumëfisha të shpejtësisë së boshtit.

Këto forca inerciale të rendit më të lartë janë përgjithësisht të papërfillshme — me përjashtim të forcave të rendit të dytë, të cilat veprojnë me dyfishin e frekuencës së boshtit dhe duhet të merren gjithmonë parasysh. Kur forcat inerciale në cilindrat ngjitur veprojnë në drejtime të kundërta në një distancë fikse nga njëra-tjetra, ato gjenerojnë gjithashtu çifte momentesh, duke shtuar një shtresë tjetër kompleksiteti.

Inxhinierët kanë dy mjete kryesore për të luftuar këto forca:

• Zgjedhja e një konfigurimi në thelb të balancuar — rregullimi i cilindrave dhe i krahëve të boshtit në mënyrë që forcat dhe momentet të anulojnë natyrshëm njëra-tjetrën.
• Shtimi i boshteve balancuese — boshte dytësore me kundërpesha që rrotullohen në drejtim të kundërt me boshtin kryesor, duke gjeneruar forca të barabarta dhe të kundërta. Këto shtojnë koston dhe kompleksitetin mekanik, por mund të neutralizojnë plotësisht mënyrat problematike të dridhjes.

Nga të gjitha paraqitjet e zakonshme të motorëve, vetëm dy janë teorikisht të balancuar në mënyrë të përsosur: motori në linjë me gjashtë cilindra dhe motori i sheshtë me gjashtë cilindra. Pikërisht për këtë arsye BMW dhe Porsche i kanë ruajtur kaq fort këto konfigurime — dhe pse të tjerët kanë qenë ngurrues t’i braktisin ato pavarësisht sfidave të përshtatjes.

Balanca e Motorit sipas Konfigurimit: Një Udhëzues Praktik

Le të shohim se si secili konfigurim kryesor motori ia del në botën reale kur bëhet fjalë për dridhjet dhe balancën.

Motorët në linjë me dy cilindra (me krahët në të njëjtin drejtim) sillen ngjashëm me një motor njëcilindrik për sa i përket balancës — të dy pistonat ngrihen dhe ulen në fazë. Modeli rus Oka përdorte dy boshte balancuese që rrotulloheshin në kahe të kundërta për të përballuar forcat inerciale të rendit të parë, por forcat e rendit të dytë mbetën të pakontrolluara. Shtimi i dy boshteve të tjera balancuese do të kishte qenë krejtësisht jopraktik në një makinë kaq të vogël dhe të përballueshme. Shumë motorë me dy cilindra — si Fiat 500 origjinal i vitit 1957 dhe Tata Nano indian — thjesht funksiononin pa asnjë bosht balancues, duke u mbështetur te mbajtëset elastike të motorit për të thithur dridhjet. Të lirë, të thjeshtë dhe të pranueshëm për aplikime me buxhet të kufizuar.

Motorët me dy cilindra me krahë në 180° (me pistonat që lëvizin në antifazë) ofrojnë balancë parësore më të mirë, por mund të arrijnë intervale të barabarta ndezjeje vetëm në formën dyhapëshe — siç përdorej në modelet DKW të para-luftës dhe pasardhësit e tyre, Trabanti i Gjermanisë Lindore.

Motorët V-twin mbijetojnë sot pothuajse ekskluzivisht në motoçikleta — Harley-Davidson dhe imituesit e tij japonezë janë shembujt e qartë. NAMI-1 qëndron si pothuajse e vetmja makinë që ka përdorur ndonjëherë këtë paraqitje. Kundërpeshat në bosht mund ta sjellin atë afër balancës së plotë, por intervalet e barabarta të ndezjes mbeten të paarritshme.

Motorët me tre cilindra janë më keq të balancuar se një motor në linjë me katër cilindra. Prodhues si Subaru dhe Daihatsu pajisin boshte balancuese si standard; vendimi i Opel-it për të mos vendosur njërin në motorin Ecotec me tre cilindra për Corsa-n e gjeneratës së dytë kurseu kosto, por i fitoi makinës një reputacion të ashpër nga shtypi automobilistik gjerman pas debutimit të saj në vitin 1996 — u përshkrua si “absolutisht e pamundur për t’u drejtuar nëpër qytet në regjime të ndryshueshme”.

Motorët në linjë me katër cilindra — paraqitja më e zakonshme në botë — kanë një forcë inerciale të lirë të rendit të dytë që mund të neutralizohet vetëm nga një bosht balancues që rrotullohet me dyfishin e shpejtësisë së boshtit. Për të anuluar momentin që rezulton, nevojitet një bosht i dytë që rrotullohet në kah të kundërt. I kushtueshëm, po — por markat e Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat dhe Grupit Volkswagen e kanë përdorur të gjitha këtë sistem kur përsosja e kërkonte.

Motorët e sheshtë me katër cilindra sillen pak më mirë se homologët e tyre në linjë — mbetet vetëm një çift momentesh i rendit të dytë, që priret ta rrotullojë motorin rreth boshtit të tij vertikal. Megjithatë, si motori i ftohur me ajër i Beetle-it, ashtu edhe njësitë bokser të Subaru-t kanë mundur të funksionojnë pa boshte balancuese për dekada.

Motorët në linjë me pesë cilindra kanë forca inerciale parësore të kompensuara, por vuajnë nga një moment përkulës rrotullues që udhëton vazhdimisht nëpër bllok — duke kërkuar një strukturë jashtëzakonisht të ngurtë. Mercedes-Benz, Audi dhe Volvo e zgjidhën këtë përmes mbajtëseve të rafinuara të motorit dhe kundërpeshave (si motori 2.5 TFSI me kompresor në Audi TT RS), ndërsa inxhinierët e Fiat-it shkuan më tej dhe përdorën një bosht balancues të plotë.

Një shënim interesant: pothuajse të gjithë motorët me pesë cilindra janë në thelb motorë me katër cilindra me një cilindër shtesë të shtuar. Kjo qasje modulare lejon ndarjen e pistonave, bjellave dhe komponentëve të mekanizmit të valvulave — vetëm blloku, koka dhe boshti (me krahë në intervale prej 72°) duhet të ndryshojnë.

Motorët V6 që zëvendësuan motorët në linjë me gjashtë cilindra ndajnë të njëjtat karakteristika balance si një motor me tre cilindra — që do të thotë, jo ideale. Motori i parë V6 i Mercedes-Benz (M112-shi, me tre valvula për cilindër) e trajtoi këtë me një bosht balancues të montuar në luginën midis bankave. Motori gjashtëcilindrik tre-litërsh i Grupit PSA vendosi një bosht në një kokë cilindri. Prodhues të tjerë zgjodhën zhvendosjen e kujdesshme të kunjave të boshtit — siç shihet te V6-shi i Audi-t — për të minimizuar dridhjet pa kompleksitetin shtesë. Motorët V6 me kënd të përfshirë prej 90° shtojnë një dhimbje koke tjetër: intervale të pabarabarta ndezjeje në vetvete, që një volant i rënduar mund t’i zbutë vetëm pjesërisht.

Motorët V8 me kënd banke prej 90° dhe krahë boshti në dy plane reciprokisht pingule janë shumë mirë të balancuar. Intervalet e barabarta të ndezjes janë të arritshme, dhe mbeten vetëm dy çifte momentesh të mbetura — të trajtuara lehtë me kundërpesha në fundet e boshtit. Kjo është një pjesë e madhe e arsyes pse inxhinierët amerikanë e përqafuan V8-shin me kaq entuziazëm: ata thjesht nuk i durojnë dridhjet.

Motorët V4 ishin të rrallë dhe tani janë pothuajse të zhdukur në makina. Motori V4 evropian i Ford-it (i përdorur në Taunus, Capri dhe Saab 96) dhe motori V4 i çuditshëm i Zaporozhets-it të dy kërkonin një bosht balancues për çiftet e momentit të rendit të parë. Kompaktësia dhe kostoja ishin faktorët shtytës — balanca ishte dytësore.

Motorët V10 ndajnë të njëjtat karakteristika balance si një motor në linjë me pesë cilindra. Kjo nuk i ndaloi projektuesit e motorëve të Formula 1, të Dodge Viper apo të Dodge RAM nga përdorimi i tyre — kur ke nevojë për fuqinë, e menaxhon dridhjen.

Sa për paraqitjet më ekzotike: motori i sheshtë me tetë cilindra (siç përdoret në makinat e garave Porsche 917) është në fakt dy motorë të sheshtë me katër cilindra në një bosht të përbashkët, ndërsa motorët V12 dhe të sheshtë me 12 cilindra reduktohen në dy motorë në linjë me gjashtë cilindra — gjë që shpjegon qetësinë e tyre të jashtëzakonshme.

Motorët VR6, VR5 dhe W: Mjeshtëria e Volkswagen-it në Përshtatje

I prekëm më herët motorët në formë V me kënd të ngushtë si Lancia Fulvia. Për dekada këto u shmangën — më të vështirë për t’u balancuar se paraqitjet 60° ose 90°, me përfitime përshtatjeje që nuk dukeshin se ia vlenin mundimin. Pastaj prioritetet ndryshuan.

Dy zhvillime e ndryshuan lojën:

• Mbajtëset hidraulike të motorit u bënë gjerësisht të disponueshme, duke shtypur në mënyrë dramatike transmetimin e dridhjeve pavarësisht balancës teorike të motorit.
• Hapësira nën kapak u bë gjithnjë e më e pakët, duke e bërë kompaktësinë një tipar të çmuar. Kush do ta kishte imagjinuar një hatchback modeste që fsheh një motor gjashtëcilindrik prej 2.8 litrash? Volkswagen e bëri të mundur.

Volkswagen VR6 — ku “VR” qëndron për V-Reihen (V-në linjë) — e çon konceptin e këndit të ngushtë më tej se sa e bëri ndonjëherë Lancia, duke përdorur vetëm një kënd prej 15° midis bankave. Rezultati është aq kompakt sa funksionon në fakt si një motor në linjë i zhvendosur dhe, çuditërisht, përdor një kokë të vetme cilindri për të dyja bankat. Një motor gjashtëcilindrik prej 2.8 litrash që përshtatet aty ku një V6 konvencional nuk do të përshtatej — debutoi në Volkswagen Golf-in e gjeneratës së tretë.

Që andej, inxhinierët e Volkswagen-it e zhvilluan konceptin më tej:

• VR5-shi erdhi si një VR6 me një cilindër të hequr.
• W8-shi kombinoi dy njësi VR të shkurtuara (katër cilindra secila) në një bosht të vetëm — i montuar në sedanin flamurtar Passat.
• W12-shi debutoi në vitin 1998 në konceptin W12 Roadster: dy motorë VR6 të bashkuar në një kënd prej 72° në një bosht.
• W16-shi — me katër turbombushës — e fuqizon Bugatti Veyron-in deri në 431 km/h, duke e bërë aplikimin më ekstrem prodhues të kësaj arkitekture.

Pse nuk ekzistonin këto paraqitje më parë? Projektimi modern i asistuar nga kompjuteri i bëri ato të mundura. Optimizimi i këndit të përfshirë, i pozicioneve të kunjave të boshtit, i radhës së ndezjes dhe i karakteristikave të balancës nëpër gjeometri kaq komplekse do të kishte qenë praktikisht i pamundur pa fuqinë llogaritëse të disponueshme nga vitet 1990 e tutje. Vetëm boshti i një W12-shi është një makth për mekanikun — lloji i pjesës që ka kuptim vetëm kur një kompjuter ka verifikuar çdo tolerancë.

Çfarë Ka Vërtet Rëndësi në Projektimin e Motorëve në Botën Reale

Nëse ka një mësim nga e gjithë kjo, ai është se balanca teorike rrallë është faktori vendimtar kur një inxhinier zgjedh një paraqitje motori. Prioritetet e vërteta janë:

• Përshtatja — a futet në hapësirën e motorit?
• Pesha dhe dendësia e fuqisë — cili është raporti më i mirë për aplikimin?
• Kostoja e prodhimit — a mund të ndajë komponentë nëpër një gamë modelesh?
• Modulariteti — gjithnjë e më shumë, prodhuesit ndërtojnë familje të tëra motorësh nga një arkitekturë e përbashkët pistoni dhe cilindri, nga njësitë ekonomike me tre cilindra deri te flamurtarët me dymbëdhjetë cilindra

Gama aktuale e motorëve të Mercedes-Benz është një shembull klasik i qasjes modulare: një arkitekturë e përbashkët mbështet motorë me fuqi dhe numra cilindrash jashtëzakonisht të ndryshëm.

Dhe sa për dridhjet — ia vlen të kujtohet se balanca teorike dhe ajo aktuale janë dy gjëra shumë të ndryshme. Edhe një motor në linjë me gjashtë cilindra i balancuar në mënyrë të përsosur do të dridhet nëse mekanizmi i tij i boshtit nuk është i balancuar siç duhet ose nëse pistonat dhe bjellat e tij ndryshojnë dukshëm në peshë. Tolerancat e prodhimit në botën reale dhe deformimi i komponentëve nën ngarkesë nënkuptojnë se asnjë motor nuk është kurrë aq i qetë në praktikë sa sugjerojnë ekuacionet. Kjo është ars.eja pse projektimi i mbajtëseve të motorit — mënyra se si njësia e fuqisë izolohet nga pjesa tjetër e makinës — është po aq i rëndësishëm sa vetë paraqitja. Ndonjëherë edhe më shumë.

Ky është një përkthim. Ju mund ta lexoni origjinalin këtu: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html