Dvigatel konfiguratsiyasi tushuntiriladi: qatorli, V-shaklidagi va yassi dvigatellar

XX asr boshlarida, avtomobilsozlik muhandisligi to’liq sur’atda rivojlanib borgan paytda, 10 litrli dvigatel bir silindrli agregat yoki, aytaylik, qatorli sakkiz silindrli bo’lishi mumkin edi. O’sha davrda 23 litrli qatorli olti silindrli yoki avtomobilga o’rnatilgan yetti silindrli yulduzsimon aviatsiya dvigateli hech kimni hayratga solmas edi.

Ommaviy ishlab chiqarish ko’lami kengayib, xarajatlar bosimi kuchayib borgan sari, hamma narsa o’z o’rniga tushdi. Bir silindrli dvigatel o’tmish yodgorligiga aylandi. Bugungi kunda oddiy avtomobil dvigatelida o’rtacha silindr hajmi 300 dan 600 kub santimetrgacha bo’lib, solishtirma quvvat atmosferali dizelda taxminan 35 ot kuchi/litrdan tortib yuqori unumdorlikdagi benzinli dvigatelda 100 ot kuchi/litrgacha o’zgaradi. Bular ommaviy bozor uchun ishlab chiqarishning eng maqbul nuqtalari — ulardan tashqariga chiqish shunchaki iqtisodiy jihatdan oqlanmaydi.

Xo’sh, zamonaviy dvigatellar manzarasi qanday ko’rinishga ega? Umuman olganda:

• 100 ot kuchli dvigatel odatda to’rt silindrga ega bo’ladi
• 200 ot kuchli dvigatel odatda to’rt, besh yoki olti silindrda ishlaydi
• 300 ot kuchli dvigatel ko’pincha sakkiz silindrdan foydalanadi

Lekin bu silindrlar amalda qanday joylashtirilishi mumkin? Ko’p silindrli dvigatelni loyihalashda muhandislar oldida qanday tartibga solish variantlari mavjud? Keling, buni batafsil ko’rib chiqamiz.

Qatorli dvigatellar: oddiy, ammo tobora amaliy bo’lmagan

Har qanday dvigatel konstruktorining ongidagi birinchi savol — konstruksiyani qanday soddalashtirish, ishlab chiqarish xarajatlarini past va texnik xizmat ko’rsatishni oson saqlash. Bu jihatdan qatorli (to’g’ri) dvigatel ko’p ortig’i bilan g’olib chiqadi. Silindrlar bitta qatorda joylashtiriladi va hajmni oshirish ulardan yana qo’shish kabi oson.

Mana qatorli dvigatel variantlari amalda qanday taqsimlanadi:

• Ikki va uch silindrli dvigatellar avtomobillarda nisbatan kam uchraydi, garchi ikki silindrli format ilg’or yoqilg’i purkash va turbonadduv tufayli qaytib kelmoqda — Fiat 500’dagi 85 ot kuchli turbonaddувli ikki silindrli dvigatel buning yorqin namunasidir.
• Qatorli to’rt silindrli yengil avtomobillar dunyosining ish oti bo’lib, 1.0 dan 2.4 litrgacha bo’lgan hajmlarni qamrab oladi.
• Qatorli besh silindrli dvigatellar yaqinroq davrda paydo bo’lgan ishlanma. Mercedes-Benz 1974-yilda dizel besh silindrli dvigatelni kashf etdi (W123 platformasidagi 300D), uning ortidan ikki yildan so’ng Audi’ning ikki litrli benzinli besh silindrlisi, keyin esa 1980-yillarning oxirida Volvo va Fiat qo’shildi.
• Qatorli olti silindrli dvigatellar uzoq vaqt davomida silliqligi uchun yevropaliklarning sevimlisi bo’lib kelgan, ammo tobora kamayib bormoqda. Ularning yanada uzunroq qardoshi, qatorli sakkiz silindrli esa amalda 1930-yillardayoq tark etilgan.

Bu tendensiyaning sababi oddiy: qancha ko’p silindr qo’shsangiz, dvigatel shuncha uzun bo’ladi — bu esa joylashtirishda jiddiy bosh og’rig’ini keltirib chiqaradi. Masalan, qatorli olti silindrli dvigatelni old g’ildiraklari yetaklovchi avtomobilning dvigatel bo’limiga ko’ndalang qilib joylashtirish faqat bir nechta holatlardagina amalga oshirilgan: Austin Maxi 2200 (bunda uzatmalar qutisini dvigatel ostiga joylashtirish talab qilingan) va o’ta ixcham uzatmalar qutisiga ega Volvo S80.

V-shaklidagi va yassi dvigatellar: ixcham, ammo murakkab

Xo’sh, qatorli dvigatelni qanday qisqartirish mumkin? Nafis yechim: uni ikkiga bo’lish, ikki yarmini yonma-yon joylashtirish va ikkalasi bilan bitta tirsakli valni harakatga keltirish. Mana shu V-dvigatelning mohiyatidir.

Eng keng tarqalgan V-dvigatel konfiguratsiyalari silindr bloklari orasida 60° yoki 90° burchakdan foydalanadi. Bu burchakni 180° gacha — silindrlar bir-biridan to’g’ridan-to’g’ri qarama-qarshi yo’nalishda — yetkazsangiz, yassi dvigatelga ega bo’lasiz, u bokser dvigatel sifatida ham tanilgan (shu sababli B2, B4, B6 belgilanishlari).

Qatorli dvigatelga nisbatan murosalar jiddiy:

• Ikkita silindr kallagi — har biri o’zining qistirmasi va kollektorlariga ega
• Ko’proq taqsimlash vallari va murakkabroq klapan yuritish tartibi
• Kattaroq kenglik (ayniqsa yassi dvigatellar uchun), bu ularni qayerga o’rnatish mumkinligini cheklaydi
• Yuqoriroq ishlab chiqarish xarajati va murakkabroq texnik xizmat ko’rsatish

Ushbu kamchiliklar tufayli yassi dvigatellar faqat oz sonli ishlab chiqaruvchilar tomonidan qo’llaniladi — bugungi kunda Porsche va Subaru eng e’tiborga loyiqlaridir.

V-dvigatelni 60° dan past burchakni qisqartirish orqali yanada ixchamroq qilish-chi? Bu amalga oshirilgan — 1970-yillardagi Lancia Fulvia atigi 23° burchakli V4 dvigatelida ishlagan. Lekin bir muammo bor: burchak qancha tor bo’lsa, dvigatelni muvozanatlash shuncha qiyin bo’ladi. Bu bizni dvigatel konstruksiyasidagi eng muhim muammolardan biriga olib keladi.

Dvigatel tebranishi: kuchlar, momentlar va ularni qanday jilovlash kerak

Hech qaysi porshenli ichki yonuv dvigateli tebranishdan butunlay xoli emas — bu konstruksiyaga xosdir. Lekin tebranishni boshqarish nafaqat yo’lovchi qulayligi uchun muhim. Jiddiy muvozanatlanmagan tebranish dvigatel qismlarini jismonan vayron qilishi mumkin, bu esa qismlarning yuqori tezlikda ajralib chiqishi bilan bog’liq barcha halokatli oqibatlarni keltirib chiqaradi.

Dvigatel tebranishi qayerdan kelib chiqadi? Uchta asosiy manba mavjud:

• Notekis o’t olish oraliqlari — ba’zi dvigatel konfiguratsiyalarida ish jarayonlari mukammal teng oraliqlarda o’t olmaydi, bu esa moment to’lqinlanishini yaratadi. Og’irroq mayatnik (mahovik) buni silliqlashga yordam berishi mumkin.
• Porshen inersiya kuchlari — porshenlar yuqoriga tezlashib va o’z yo’lining yuqori qismida sekinlashganda (va pastda buning aksi), ular avtomobil tormozlaganda yoki tezlashganda sezadigan kuchga o’xshash inersial kuchlar hosil qiladi.
• Shatun geometriyasi — shatun to’g’ri chiziq bo’ylab harakatlanmaydi va porshenning harakati mukammal sinusoida emas, bu esa tirsakli val tezligining karralarida qo’shimcha kuch tarkibiy qismlarini kiritadi.

Bu yuqori tartibli inersial kuchlar odatda ahamiyatsizdir — ikkinchi tartibli kuchlardan tashqari, ular tirsakli val chastotasidan ikki barobar yuqori chastotada ta’sir qiladi va har doim hisobga olinishi kerak. Qo’shni silindrlardagi inersial kuchlar bir-biridan belgilangan masofada qarama-qarshi yo’nalishlarda ta’sir qilganda, ular shuningdek moment juftliklarini hosil qiladi, bu yana bir murakkablik qatlamini qo’shadi.

Muhandislar bu kuchlarga qarshi kurashish uchun ikkita asosiy vositaga ega:

• Xususiyatan muvozanatlangan konfiguratsiyani tanlash — silindrlar va tirsakli val tirsaklarini kuchlar va momentlar tabiiy ravishda bir-birini yo’qotadigan tarzda joylashtirish.
• Muvozanatlash vallarini qo’shish — tirsakli valga qarama-qarshi yo’nalishda aylanadigan, teng va qarama-qarshi kuchlar hosil qiladigan qarama-qarshi yuklari bo’lgan ikkilamchi vallar. Ular xarajat va mexanik murakkablikni qo’shadi, ammo muammoli tebranish rejimlarini to’liq neytrallashtirishi mumkin.

Barcha keng tarqalgan dvigatel tartiblari orasidan faqat ikkitasi nazariy jihatdan mukammal muvozanatlangan: qatorli olti silindrli va yassi olti silindrli. Aynan shuning uchun BMW va Porsche bu konfiguratsiyalarni shu qadar qat’iy ushlab turishgan — va boshqalar joylashtirish qiyinchiliklariga qaramay ulardan voz kechishni istamagan.

Konfiguratsiya bo’yicha dvigatel muvozanati: amaliy qo’llanma

Keling, har bir asosiy dvigatel konfiguratsiyasi tebranish va muvozanat masalasida real dunyoda qanday ko’rsatkichlarga ega ekanligini ko’rib chiqaylik.

Ikki silindrli qatorli dvigatellar (tirsaklari bir xil yo’nalishda) muvozanat jihatidan bir silindrliga o’xshash xatti-harakat qiladi — ikkala porshen ham bir fazada ko’tariladi va tushadi. Rossiya Oka avtomobili birinchi tartibli inersial kuchlar bilan kurashish uchun ikkita qarama-qarshi aylanuvchi muvozanatlash validan foydalangan, ammo ikkinchi tartibli kuchlar nazoratsiz qoldirilgan. Bunday kichik, arzon avtomobilga yana ikkita muvozanatlash valini qo’shish butunlay amalga oshirib bo’lmas edi. Ko’plab ikki silindrli dvigatellar — 1957-yilgi dastlabki Fiat 500 va Hindiston Tata Nano kabi — shunchaki muvozanatlash vallarisiz ishlagan bo’lib, tebranishni yutish uchun moslashuvchan dvigatel tirgaklariga tayangan. Arzon, oddiy va byudjet ilovalari uchun maqbul.

Tirsaklari 180°da bo’lgan ikki silindrli dvigatellar (porshenlar antifazada harakatlanadi) yaxshiroq birlamchi muvozanatni taklif qiladi, ammo teng o’t olish oraliqlariga faqat ikki taktli shaklda erishishi mumkin — urushdan oldingi DKW va ularning avlodlari, Sharqiy Germaniya Trabant’ida ishlatilgani kabi.

V-tvin (V-shaklidagi ikki silindrli) dvigatellar bugungi kunda deyarli faqat mototsikllarda saqlanib qolgan — Harley-Davidson va uning yapon taqlidchilari yaqqol misollardir. NAMI-1 ushbu tartibdan foydalangan deyarli yagona avtomobil bo’lib qoladi. Tirsakli valdagi qarama-qarshi yuklar uni to’liq muvozanatga yaqinlashtirishi mumkin, ammo teng o’t olish oraliqlariga erishib bo’lmaydi.

Uch silindrli dvigatellar qatorli to’rt silindrliga qaraganda yomonroq muvozanatlangan. Subaru va Daihatsu kabi ishlab chiqaruvchilar muvozanatlash vallarini standart sifatida o’rnatadi; Opel’ning ikkinchi avlod Corsa uchun Ecotec uch silindrlisida bittasini o’tkazib yuborish qarori xarajatlarni tejagan, ammo avtomobilga 1996-yildagi debyutidan keyin nemis avtomobil matbuoti oldida qo’pol obro’ keltirgan — u “shaharda o’zgaruvchan rejimlarda haydash mutlaqo imkonsiz” deb ta’riflangan.

Qatorli to’rt silindrli dvigatellar — dunyodagi eng keng tarqalgan tartib — faqat tirsakli valdan ikki barobar tezroq ishlaydigan muvozanatlash vali orqali neytrallanishi mumkin bo’lgan erkin ikkinchi tartibli inersial kuchga ega. Natijada hosil bo’lgan momentni bartaraf etish uchun ikkinchi, qarama-qarshi aylanuvchi val kerak bo’ladi. Qimmat, albatta — ammo Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat va Volkswagen Group brendlari mukammallik talab qilingan paytda bu tizimdan foydalanishgan.

Yassi to’rt silindrli dvigatellar qatorli hamkasblariga qaraganda biroz yaxshiroq ishlaydi — faqat ikkinchi tartibli moment juftligi qoladi, u dvigatelni vertikal o’qi atrofida burishga moyil. Shunday bo’lsa-da, ham havo bilan sovutiladigan Beetle dvigateli, ham Subaru’ning bokser agregatlari o’nlab yillar davomida muvozanatlash vallarisiz ishlay olgan.

Qatorli besh silindrli dvigatellar birlamchi inersial kuchlarni qoplagan, ammo blok bo’ylab doimiy ravishda harakatlanadigan aylanma egilish momentidan aziyat chekadi — bu g’ayrioddiy darajada qattiq tuzilishni talab qiladi. Mercedes-Benz, Audi va Volvo buni takomillashtirilgan dvigatel tirgaklari va qarama-qarshi yuklar orqali hal qilishdi (Audi TT RS’dagi nadduvli 2.5 TFSI kabi), Fiat muhandislari esa undan ham uzoqroqqa borib, to’liq muvozanatlash validan foydalanishdi.

Bir qiziq izoh: deyarli barcha besh silindrli dvigatellar mohiyatan bitta qo’shimcha silindr o’rnatilgan to’rt silindrli dvigatellardir. Bu modulli yondashuv umumiy porshenlar, shatunlar va klapan yuritish qismlaridan foydalanishga imkon beradi — faqat blok, kallak va tirsakli val (72° oraliqdagi tirsaklar bilan) o’zgartirilishi kerak.

V6 dvigatellar, qatorli olti silindrlilar o’rnini egallaganlari, uch silindrli bilan bir xil muvozanat xususiyatlariga ega — ya’ni ideal emas. Eng birinchi Mercedes-Benz V6 (M112, har bir silindrda uchta klapan bilan) buni bloklar orasidagi botiqlikka o’rnatilgan muvozanatlash vali bilan hal qildi. PSA Group’ning uch litrli olti silindrlisi bittasini silindr kallagiga joylashtirgan. Boshqa ishlab chiqaruvchilar — Audi V6’da ko’rinib turganidek — qo’shimcha murakkablanmasdan tebranishni minimallashtirish uchun tirsak shtiftlarini ehtiyotkorlik bilan siljitishni tanlashdi. 90° burchakli V6 dvigatellar yana bir bosh og’rig’ini qo’shadi: og’irlashtirilgan mayatnik faqat qisman silliqlashi mumkin bo’lgan xususiyatan notekis o’t olish oraliqlari.

V8 dvigatellar, 90° blok burchagi va ikkita o’zaro perpendikulyar tekislikdagi tirsakli val tirsaklari bilan, juda yaxshi muvozanatlangan. Teng o’t olish oraliqlariga erishish mumkin va faqat ikkita qoldiq moment juftligi qoladi — buni tirsakli valning chetki bo’yinlaridagi qarama-qarshi yuklar orqali oson hal qilish mumkin. Bu Amerika muhandislari V8’ni shunchalik ishtiyoq bilan qabul qilganligining katta qismini tashkil etadi: ular shunchaki tebranishga toqat qilmaydi.

V4 dvigatellar kam uchragan va hozir avtomobillarda deyarli yo’qolib ketgan. Yevropa Ford V4 (Taunus, Capri va Saab 96’da ishlatilgan) va Zaporozhets’ning g’alati V4’i — ikkalasi ham birinchi tartibli moment juftliklari uchun muvozanatlash valini talab qilgan. Ixchamlik va xarajat asosiy omillar edi — muvozanat ikkinchi darajali edi.

V10 dvigatellar qatorli besh silindrli bilan bir xil muvozanat xususiyatlariga ega. Bu Formula 1 dvigatellari, Dodge Viper yoki Dodge RAM konstruktorlarini ulardan foydalanishdan to’xtatmadi — quvvat kerak bo’lganda, siz tebranishni boshqarasiz.

Ekzotikroq tartiblarga kelsak: yassi sakkiz silindrli (Porsche 917 poyga avtomobillarida ishlatilgani kabi) mohiyatan umumiy tirsakli valdagi ikkita yassi to’rt silindrlidir, V12 va yassi 12 silindrli dvigatellar esa ikkita qatorli olti silindrliga qisqaradi — bu ularning g’ayrioddiy silliqligini tushuntiradi.

VR6, VR5 va W-dvigatellar: Volkswagen’ning joylashtirish ustaligi

Biz avvalroq Lancia Fulvia kabi tor burchakli V-dvigatellarga to’xtalib o’tdik. O’nlab yillar davomida ulardan qochishgan — ularni 60° yoki 90° tartiblariga qaraganda muvozanatlash qiyinroq edi, joylashtirish bo’yicha yutuqlari esa zahmatga arzimaydigan ko’rinardi. Keyin esa ustuvorliklar o’zgardi.

Ikki ishlanma o’yinni o’zgartirdi:

• Gidravlik dvigatel tirgaklari keng tarqaldi, dvigatelning nazariy muvozanatidan qat’i nazar, tebranish uzatilishini keskin bostirdi.
• Kapot ostidagi joy tobora tanqis bo’lib bordi, bu esa ixchamlikni qimmatbaho xususiyatga aylantirdi. Kim oddiy xetchbek 2.8 litrli olti silindrli dvigatelni yashirib turganini tasavvur qilardi? Volkswagen buni amalga oshirdi.

Volkswagen VR6 — “VR” V-Reihen (V-qatorli) ma’nosini bildiradi — tor burchak konsepsiyasini Lancia hech qachon olib borganidan ham uzoqroqqa olib boradi, bloklar orasida atigi 15° burchakdan foydalanadi. Natija shu qadar ixchamki, u amalda siljigan qatorli dvigatel sifatida ishlaydi va hayratlanarli darajada, ikkala blok uchun bitta silindr kallagidan foydalanadi. Oddiy V6 sig’maydigan joyga sig’adigan 2.8 litrli olti silindrli dvigatel — uchinchi avlod Volkswagen Golf’da debyut qildi.

Shu nuqtadan boshlab, Volkswagen muhandislari konsepsiyani rivojlantirib ketishdi:

• VR5 bitta silindri olib tashlangan VR6 sifatida paydo bo’ldi.
• W8 ikkita qisqartirilgan VR agregatini (har birida to’rt silindr) bitta tirsakli valda birlashtirdi — flagman Passat sedaniga o’rnatilgan.
• W12 1998-yilda W12 Roadster konseptida debyut qildi: bitta tirsakli valda 72° burchak ostida birlashtirilgan ikkita VR6 dvigateli.
• W16 — to’rtta turbonadduv bilan — Bugatti Veyron’ni soatiga 431 km tezlikka olib boradi, bu esa uni ushbu arxitekturaning eng ekstremal ishlab chiqarish ilovasiga aylantiradi.

Nega bu tartiblar avval mavjud bo’lmagan? Zamonaviy kompyuter yordamidagi loyihalash ularni mumkin qildi. Bunday murakkab geometriyalar bo’ylab birlashgan burchak, tirsak shtifti pozitsiyalari, o’t olish tartibi va muvozanat xususiyatlarini optimallashtirish 1990-yillardan boshlab mavjud bo’lgan hisoblash quvvatisiz amalda imkonsiz bo’lardi. Faqat W12’ning tirsakli valining o’zi tokar uchun dahshatdir — bunday qism faqat kompyuter har bir bardoshlikni tekshirgandagina mantiqqa ega bo’ladi.

Real dunyo dvigatel konstruksiyasida nima haqiqatan ham muhim

Agar bularning barchasidan bitta xulosa bo’lsa, u shuki, muhandis dvigatel tartibini tanlaganda nazariy muvozanat kamdan-kam hollarda hal qiluvchi omil bo’ladi. Haqiqiy ustuvorliklar quyidagilardir:

• Joylashtirish — u dvigatel bo’limiga sig’adimi?
• Vazn va quvvat zichligi — ilova uchun eng yaxshi nisbat qanday?
• Ishlab chiqarish xarajati — u model qatori bo’ylab qismlarni umumlashtira oladimi?
• Modullik — tobora ko’proq ishlab chiqaruvchilar uch silindrli tejamkor agregatlardan tortib o’n ikki silindrli flagmanlargacha, umumiy porshen va silindr arxitekturasidan butun dvigatel oilalarini quradi

Mercedes-Benz’ning hozirgi dvigatel qatori modulli yondashuvning darslik namunasidir: umumiy arxitektura turli xil quvvat chiqishlari va silindr sonlariga ega dvigatellar uchun asos bo’lib xizmat qiladi.

Tebranishga kelsak — shuni eslatib o’tish joizki, nazariy va haqiqiy muvozanat bir-biridan juda farq qiladi. Hatto mukammal muvozanatlangan qatorli olti silindrli ham, agar uning tirsakli val majmuasi to’g’ri muvozanatlanmagan bo’lsa yoki uning porshenlari va shatunlari vaznida sezilarli farq qilsa, tebranadi. Real dunyo ishlab chiqarish bardoshliklari va yuk ostida komponentning deformatsiyasi shuni anglatadiki, hech qaysi dvigatel amalda tenglamalar taklif qilganchalik silliq bo’lmaydi. Aynan shuning uchun dvigatel tirgaklari konstruksiyasi — quvvat agregati avtomobilning qolgan qismidan qanday izolyatsiyalanishi — tartibning o’zi kabi muhimdir. Ba’zan undan ham ko’proq.

Bu tarjima. Asl nusxasini bu yerda o’qishingiz mumkin: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html