Mpangilio wa Injini Umefafanuliwa: Injini za Mstari, za Umbo la V, na za Tambarare

Mwanzoni mwa karne ya 20, wakati uhandisi wa magari ulikuwa ukiendelea kwa kasi kubwa, injini ya lita 10 ingeweza kuwa ya silinda moja au, tuseme, ya silinda nane za mstari. Wakati huo, hakuna aliyeshangaa kuona injini ya silinda sita za mstari ya lita 23 au injini ya ndege yenye silinda saba za mzunguko iliyowekwa kwenye gari.

Kadiri uzalishaji wa wingi ulivyokua na shinikizo la gharama lilivyoongezeka, kila kitu kilipata mahali pake. Injini ya silinda moja ikawa kitu cha zamani. Leo hii, ujazo wa wastani wa silinda katika injini ya kawaida ya gari uko kati ya sentimita za ujazo 300 na 600, ambapo nguvu maalum hutofautiana kutoka takriban hp/l 35 katika injini ya dizeli isiyo na turbo hadi hp/l 100 katika injini ya petroli yenye utendaji wa juu. Hivi ndivyo viwango bora kwa uzalishaji wa soko la wingi — kwenda nje ya viwango hivi siyo jambo la kiuchumi.

Kwa hiyo mandhari ya injini ya kisasa inaonekanaje? Kwa ujumla:

• Injini ya hp 100 kwa kawaida huwa na silinda nne
• Injini ya hp 200 kwa kawaida huendesha silinda nne, tano, au sita
• Injini ya hp 300 mara nyingi hutumia silinda nane

Lakini silinda hizo zinaweza kupangwa vipi hasa? Wahandisi wana chaguzi zipi za mpangilio wanapobuni injini yenye silinda nyingi? Hebu tuchambue.

Injini za Mstari: Rahisi Lakini Zinazozidi Kuwa Zisizofaa

Swali namba moja katika akili ya mbunifu yeyote wa injini ni jinsi ya kurahisisha muundo — kuweka gharama za uzalishaji chini na matengenezo kuwa rahisi. Kwa upande huo, injini ya mstari (inline) inashinda kwa urahisi kabisa. Silinda hupangwa katika safu moja, na kuongeza uwezo ni rahisi kama kuongeza silinda zaidi.

Hivi ndivyo aina za injini za mstari zinavyojigawa katika utendaji:

• Injini za silinda mbili na tatu ni nadra kiasi katika magari, ingawa muundo wa silinda mbili unarejea tena kutokana na mfumo wa kisasa wa kupuliza mafuta na turbocharging — injini ya silinda mbili yenye turbo ya hp 85 katika Fiat 500 ikiwa mfano mzuri.
• Injini ya silinda nne za mstari ndiyo nguzo kuu ya ulimwengu wa magari ya abiria, ikishughulikia ujazo kutoka lita 1.0 hadi 2.4.
• Injini za silinda tano za mstari ni maendeleo ya hivi karibuni zaidi. Mercedes-Benz ilianzisha injini ya dizeli ya silinda tano mwaka 1974 (ile 300D kwenye jukwaa la W123), ikifuatiwa na injini ya petroli ya silinda tano ya lita mbili ya Audi miaka miwili baadaye, kisha Volvo na Fiat zikajiunga mwishoni mwa miaka ya 1980.
• Injini za silinda sita za mstari, ambazo kwa muda mrefu zilipendwa Ulaya kwa ulaini wake, zimezidi kuwa nadra. Ndugu yake mrefu zaidi, injini ya silinda nane za mstari, iliachwa kabisa nyuma katika miaka ya 1930.

Sababu ya mwelekeo huu ni rahisi: kadiri unavyoongeza silinda zaidi, ndivyo injini inavyozidi kuwa ndefu — na hilo huleta matatizo makubwa ya kuipanga ndani ya gari. Kwa mfano, kuingiza injini ya silinda sita za mstari kwa mlalo (transversely) ndani ya nafasi ya injini ya gari linaloendeshwa kwa magurudumu ya mbele, kumefanikiwa katika visa vichache tu: Austin Maxi 2200 (iliyohitaji sanduku la gia kuwekwa chini ya injini) na Volvo S80 yenye sanduku lake la gia lililobana sana.

Injini za Umbo la V na za Tambarare: Zilizobana Lakini Ngumu

Kwa hiyo unaifupishaje injini ya mstari? Suluhisho zuri: igawe katika nusu mbili, weka nusu hizo mbili kando kwa kando, na uendeshe kreni moja kwa nusu zote mbili. Hiyo ndiyo kiini cha injini ya V.

Mipangilio ya kawaida zaidi ya injini ya V hutumia pembe iliyojumuishwa ya 60° au 90° kati ya safu za silinda. Sukuma pembe hiyo hadi 180° — silinda zikielekeana kinyume moja kwa moja — na utapata injini ya tambarare, inayojulikana pia kama injini ya bokesa (boxer) (ndiyo maana ya majina B2, B4, B6).

Hasara zinazohusiana ikilinganishwa na injini ya mstari ni kubwa:

• Vichwa viwili vya silinda — kila kimoja kikiwa na gasketi na manifold zake
• Kamshafti zaidi na mpangilio mgumu zaidi wa kuendesha valvu
• Upana mkubwa zaidi (hasa kwa injini za tambarare), ambao huweka mipaka mahali zinapoweza kuwekwa
• Gharama kubwa zaidi ya utengenezaji na huduma ngumu zaidi

Kwa sababu ya hasara hizi, injini za tambarare hutumiwa na watengenezaji wachache tu — Porsche na Subaru wakiwa wanaojulikana zaidi leo hii.

Vipi kuhusu kuifanya injini ya V kuwa imebana zaidi kwa kupunguza pembe iliyojumuishwa chini ya 60°? Imeshafanyika — Lancia Fulvia ya miaka ya 1970 iliendesha V4 yenye pembe ya 23° tu. Lakini kuna kizingiti: kadiri pembe inavyokuwa nyembamba, ndivyo injini inavyokuwa ngumu kuisawazisha. Hilo linatuleta kwenye mojawapo ya changamoto muhimu zaidi katika ubunifu wa injini.

Mtetemeko wa Injini: Nguvu, Torki, na Jinsi ya Kuudhibiti

Hakuna injini ya mwako wa ndani yenye pistoni isiyo na mtetemeko kabisa — ni jambo la asili katika muundo. Lakini kudhibiti mtetemeko ni muhimu, siyo tu kwa starehe ya abiria. Mtetemeko mkali usiosawazishwa unaweza kuharibu kabisa vipengele vya injini kimwili, pamoja na madhara yote mabaya yanayoambatana na sehemu zinazoruka kwa kasi kubwa.

Mtetemeko wa injini unatoka wapi? Kuna vyanzo vitatu vikuu:

• Vipindi visivyo sawa vya mwako — katika baadhi ya mipangilio ya injini, mipigo ya nguvu haifanyiki kwa vipindi vilivyo sawa kabisa, ikitengeneza mtetemeko wa torki. Flywheel nzito zaidi inaweza kusaidia kulainisha hili.
• Nguvu za hali-mwendo za pistoni — pistoni zinapokwenda juu kwa kasi na kupunguza mwendo juu ya kiharusi chake (na kinyume chake chini), zinazalisha nguvu za hali-mwendo zinazofanana na unachohisi gari linaposimama au kuongeza kasi.
• Jiometri ya fimbo ya kuunganisha — fimbo ya kuunganisha haisafiri katika mstari ulionyooka, na mwendo wa pistoni siyo sinusoidi kamili, jambo linaloingiza vipengele vya ziada vya nguvu katika vizidisho vya kasi ya kreni.

Nguvu hizi za hali-mwendo za daraja la juu kwa ujumla hazina umuhimu mkubwa — isipokuwa nguvu za daraja la pili, zinazofanya kazi kwa mara mbili ya marudio ya kreni na ambazo lazima ziangaliwe daima. Wakati nguvu za hali-mwendo katika silinda zilizo karibu zinapofanya kazi katika pande tofauti kwa umbali uliopangwa kati yao, pia huzalisha torki-jozi (torque couples), kuongeza tabaka jingine la ugumu.

Wahandisi wana zana mbili kuu za kupambana na nguvu hizi:

• Chagua mpangilio uliosawazishwa kiasili — panga silinda na mizunguko ya kreni ili nguvu na torki ziondoane zenyewe kiasili.
• Ongeza shafti za usawazishaji — shafti za pili zenye vizito vya kupinga vinavyozunguka katika upande wa kinyume na kreni, vikizalisha nguvu sawa na za kinyume. Hizi huongeza gharama na ugumu wa kimitambo lakini zinaweza kuzima kabisa hali za mtetemeko zenye matatizo.

Kati ya mipangilio yote ya kawaida ya injini, ni miwili tu iliyosawazishwa kikamilifu kinadharia: injini ya silinda sita za mstari na injini ya silinda sita za tambarare. Hii ndiyo sababu hasa BMW na Porsche zimeshikilia mipangilio hii kwa nguvu — na kwa nini wengine wamekuwa na shaka kuiacha licha ya changamoto za kuipanga.

Usawazishaji wa Injini kwa Mpangilio: Mwongozo wa Vitendo

Hebu tuangalie jinsi kila mpangilio mkuu wa injini unavyofanya kazi katika ulimwengu halisi linapokuja suala la mtetemeko na usawazishaji.

Injini za silinda mbili za mstari (kreni katika upande mmoja) hutenda kama injini ya silinda moja kuhusu usawazishaji — pistoni zote mbili hupanda na kushuka kwa pamoja. Gari la Kirusi Oka lilitumia shafti mbili za usawazishaji zinazozunguka kinyume kushughulikia nguvu za hali-mwendo za daraja la kwanza, lakini nguvu za daraja la pili ziliachwa bila kudhibitiwa. Kuongeza shafti mbili zaidi za usawazishaji kungekuwa hakufai kabisa kwa gari dogo na nafuu kama hilo. Injini nyingi za silinda mbili — kama Fiat 500 ya awali ya mwaka 1957 na Tata Nano ya Kihindi — ziliendeshwa tu bila shafti zozote za usawazishaji, zikitegemea vishikio vya injini vinavyonyumbulika kufyonza mtetemeko. Nafuu, rahisi, na zinazokubalika kwa matumizi ya bajeti.

Injini za silinda mbili zenye kreni katika 180° (pistoni zikisogea kinyume) hutoa usawazishaji bora wa kimsingi lakini zinaweza kufikia vipindi sawa vya mwako tu katika muundo wa viharusi-viwili — kama ilivyotumika kwenye DKW za kabla ya vita na warithi wao, Trabant ya Ujerumani Mashariki.

Injini za V-twin zinaendelea kuishi leo hii karibu kwenye pikipiki pekee — Harley-Davidson na waigaji wake wa Kijapani wakiwa mifano dhahiri. NAMI-1 inasimama kama karibu gari pekee lililowahi kutumia mpangilio huu. Vizito vya kupinga kwenye kreni vinaweza kuileta karibu na usawazishaji kamili, lakini vipindi sawa vya mwako vinabaki kuwa visivyofikika.

Injini za silinda tatu zimesawazishwa vibaya zaidi kuliko injini ya silinda nne za mstari. Watengenezaji kama Subaru na Daihatsu huweka shafti za usawazishaji kama kawaida; uamuzi wa Opel wa kuacha kuweka moja katika injini ya silinda tatu ya Ecotec kwa Corsa ya kizazi cha pili uliokoa gharama lakini ukalipatia gari sifa mbaya kwa vyombo vya habari vya magari vya Kijerumani baada ya kuzinduliwa kwake mwaka 1996 — ilielezwa kama “isiyowezekana kabisa kuendesha mjini katika hali zinazobadilika.”

Injini za silinda nne za mstari — mpangilio wa kawaida zaidi duniani — zina nguvu huru ya hali-mwendo ya daraja la pili ambayo inaweza kuzimwa tu na shafti ya usawazishaji inayozunguka kwa mara mbili ya kasi ya kreni. Kuondoa torki itokanayo, shafti ya pili inayozunguka kinyume inahitajika. Ghali, ndiyo — lakini Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat, na chapa za Kundi la Volkswagen zote zimetumia mpangilio huu pale ulaini ulipohitajika.

Injini za silinda nne za tambarare hufanya vizuri kidogo kuliko zile za mstari — torki-jozi ya daraja la pili tu inabaki, ikielekea kuzungusha injini kuzunguka mhimili wake wima. Hata hivyo, injini ya Beetle iliyopozwa kwa hewa na injini za bokesa za Subaru zimefanikiwa bila shafti za usawazishaji kwa miongo kadhaa.

Injini za silinda tano za mstari zina nguvu za hali-mwendo za kimsingi zilizofidiwa lakini zinakumbwa na torki ya kupinda inayozunguka inayosafiri daima kupitia bloku — ikidai muundo imara kwa kiwango cha juu. Mercedes-Benz, Audi, na Volvo zilishughulikia hili kupitia vishikio vilivyoboreshwa vya injini na vizito vya kupinga (kama vile injini ya 2.5 TFSI yenye supercharger katika Audi TT RS), wakati wahandisi wa Fiat walikwenda mbali zaidi na kutumia shafti kamili ya usawazishaji.

Maelezo moja ya kuvutia: karibu injini zote za silinda tano kimsingi ni injini za silinda nne zenye silinda moja ya ziada iliyoongezwa. Mtazamo huu wa kimoduli huruhusu pistoni, fimbo za kuunganisha, na vipengele vya valvtrein vinavyoshirikiwa — ni bloku, kichwa, na kreni tu (zenye mizunguko katika vipindi vya 72°) zinazohitaji kubadilika.

Injini za V6 zilizochukua nafasi ya injini za silinda sita za mstari zina sifa za usawazishaji zinazofanana na za silinda tatu — yaani, siyo bora. Injini ya kwanza kabisa ya V6 ya Mercedes-Benz (ile M112, yenye valvu tatu kwa kila silinda) ilishughulikia hili kwa shafti ya usawazishaji iliyowekwa katika bonde kati ya safu. Injini ya silinda sita ya lita tatu ya Kundi la PSA iliweka moja katika kichwa cha silinda. Watengenezaji wengine walichagua kupanga pini za kreni kwa uangalifu — kama inavyoonekana kwenye V6 ya Audi — kupunguza mtetemeko bila ugumu wa ziada. Injini za V6 zenye pembe iliyojumuishwa ya 90° huongeza tatizo jingine: vipindi visivyo sawa vya mwako kiasili ambavyo flywheel yenye uzito inaweza tu kuvilainisha kwa sehemu.

Injini za V8 zenye pembe ya safu ya 90° na mizunguko ya kreni katika tabaka mbili zinazokutana kwa pembe ya mraba zimesawazishwa vizuri sana. Vipindi sawa vya mwako vinafikika, na torki-jozi mbili tu zilizobaki zipo — zinazoshughulikiwa kwa urahisi na vizito vya kupinga kwenye magurudumu ya mwisho ya kreni. Hii ni sehemu kubwa ya kwa nini wahandisi wa Kimarekani walikubali V8 kwa shauku kubwa: hawastahimili mtetemeko kabisa.

Injini za V4 zilikuwa nadra na sasa karibu zimetoweka kabisa katika magari. Injini ya V4 ya Ford ya Ulaya (iliyotumika katika Taunus, Capri, na Saab 96) na injini ya V4 ya kipekee ya Zaporozhets zote zilihitaji shafti ya usawazishaji kwa torki-jozi za daraja la kwanza. Ubanaji na gharama zilikuwa sababu zilizoongoza — usawazishaji ulikuwa wa pili.

Injini za V10 zina sifa za usawazishaji zinazofanana na za silinda tano za mstari. Hilo halikuwazuia wabunifu wa injini za Formula 1, Dodge Viper, au Dodge RAM kuzitumia — unapohitaji nguvu, unaudhibiti mtetemeko.

Kuhusu mipangilio ya ajabu zaidi: injini ya silinda nane za tambarare (kama ilivyotumika katika magari ya mbio ya Porsche 917) kimsingi ni injini mbili za silinda nne za tambarare kwenye kreni moja, wakati injini za V12 na za silinda 12 za tambarare hupunguzwa hadi injini mbili za silinda sita za mstari — jambo linaloeleza ulaini wao wa pekee.

Injini za VR6, VR5, na W: Ufundi wa Hali ya Juu wa Volkswagen wa Kupanga

Tuligusia injini za V za pembe nyembamba kama Lancia Fulvia awali. Kwa miongo kadhaa hizi ziliepukwa — ngumu zaidi kuzisawazisha kuliko mipangilio ya 60° au 90°, zikiwa na faida za kupanga ambazo hazikuonekana kustahili usumbufu. Kisha vipaumbele vilibadilika.

Maendeleo mawili yalibadilisha mchezo:

• Vishikio vya injini vya kihaidroliki vilipatikana kwa wingi, vikikandamiza kwa kiasi kikubwa upitishaji wa mtetemeko bila kujali usawazishaji wa kinadharia wa injini.
• Nafasi chini ya boneti ikazidi kuwa adimu, ikifanya ubanaji kuwa sifa ya thamani. Nani angefikiri kuwa hatchback ya kawaida ingeficha injini ya silinda sita ya lita 2.8? Volkswagen iliifanya iwezekane.

Volkswagen VR6 — herufi “VR” zikiwakilisha V-Reihen (V-mstari) — inachukua dhana ya pembe nyembamba mbali zaidi kuliko Lancia ilivyowahi kufanya, ikitumia pembe ya 15° tu kati ya safu. Matokeo yake ni imebana sana kiasi kwamba kimsingi inafanya kazi kama injini ya mstari iliyohamishwa, na kwa kushangaza, inatumia kichwa kimoja cha silinda kwa safu zote mbili. Injini ya silinda sita ya lita 2.8 inayofaa mahali ambapo V6 ya kawaida isingefaa — ilizinduliwa katika Volkswagen Golf ya kizazi cha tatu.

Kutoka hapo, wahandisi wa Volkswagen walikimbia na dhana hiyo:

• VR5 ilifika kama VR6 yenye silinda moja iliyoondolewa.
• W8 iliunganisha vitengo viwili vifupi vya VR (silinda nne kila kimoja) kwenye kreni moja — iliyowekwa kwenye sedan kuu ya Passat.
• W12 ilizinduliwa mwaka 1998 kwenye dhana ya W12 Roadster: injini mbili za VR6 zilizounganishwa kwa pembe ya 72° kwenye kreni moja.
• W16 — yenye turbocharger nne — inaendesha Bugatti Veyron hadi km/saa 431, ikiifanya kuwa matumizi makali zaidi ya uzalishaji ya muundo huu.

Kwa nini mipangilio hii haikuwepo awali? Ubunifu wa kisasa unaosaidiwa na kompyuta uliifanya iwezekane. Kuboresha pembe iliyojumuishwa, nafasi za pini za kreni, mpangilio wa mwako, na sifa za usawazishaji katika jiometri ngumu kama hizi kungekuwa karibu hakuwezekani bila nguvu ya kikokotozi iliyopatikana kuanzia miaka ya 1990 na kuendelea. Kreni ya W12 peke yake ni jinamizi kwa fundi wa kutengeneza vyuma — aina ya sehemu inayoleta maana tu pale kompyuta inapothibitisha kila kibali cha kipimo.

Kinachofanya Tofauti Kweli Katika Ubunifu wa Injini wa Ulimwengu Halisi

Kama kuna funzo moja kutoka kwa haya yote, ni kwamba usawazishaji wa kinadharia ni nadra kuwa kipengele cha maamuzi mhandisi anapochagua mpangilio wa injini. Vipaumbele halisi ni:

• Kupanga (Packaging) — je, inafaa katika nafasi ya injini?
• Uzito na msongamano wa nguvu — ni uwiano upi bora kwa matumizi husika?
• Gharama ya uzalishaji — je, inaweza kushirikiana na vipengele katika anuwai ya mifano?
• Umoduli — kwa kuzidi, watengenezaji hujenga familia nzima za injini kutoka muundo wa pamoja wa pistoni na shimo, kuanzia vitengo vya uchumi vya silinda tatu hadi injini kuu za silinda kumi na mbili

Mfululizo wa sasa wa injini wa Mercedes-Benz ni mfano halisi wa mtazamo wa kimoduli: muundo wa pamoja unaweka msingi wa injini katika nguvu na idadi za silinda zilizo tofauti sana.

Na kuhusu mtetemeko — inafaa kukumbuka kuwa usawazishaji wa kinadharia na ule halisi ni vitu viwili tofauti sana. Hata injini ya silinda sita za mstari iliyosawazishwa kikamilifu itatetemeka kama mkusanyiko wake wa kreni haujasawazishwa ipasavyo au kama pistoni na fimbo zake za kuunganisha zinatofautiana kwa kiasi kikubwa kwa uzito. Vibali halisi vya uzalishaji na mtaguso wa vipengele chini ya mzigo vinamaanisha kuwa hakuna injini iliyo laini katika utendaji kama vile milinganyo inavyopendekeza. Ndiyo maana ubunifu wa kishikio cha injini — jinsi mtambo wa nguvu unavyotengwa na sehemu nyingine ya gari — ni muhimu kila kipimo kama mpangilio wenyewe. Wakati mwingine zaidi.

Hii ni tafsiri. Unaweza kusoma makala asili hapa: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html