Numărul și dispunerea cilindrilor motorului – Câți cilindri din motor sunt optimi?

Numarul si dispunerea cilindrilor

Câți cilindri sunt optimi? 

Numărul de cilindri din motoarele auto variază de la doi la 12 (sau chiar 16), deci este logic să vă întrebați cum este definit numărul și dispunerea cilindrilor.

Dacă ați avut ocazia să tundeți iarba cu o mașină de tuns pe benzină, trebuie să fi observat că mașina de tuns vibrează puternic. Nu este de mirare, motorul este monocilindric, nu există volant, ci o elice de tuns și niciun sistem de echilibrare. Vibrațiile sunt inevitabile. Totuși, mașina pe care o conduceți este mult mai silențioasă. Are patru, poate cinci, șase sau cine știe câți cilindri.

Volumul unui cilindru este definit de diametrul cilindrului și cursa pistonului, iar prin adăugarea volumelor tuturor cilindrilor obținem volumul întregului motor.

De ce atât de mult? Care este configurația lor? Cine a determinat-o? De ce?

Volumul unui cilindru este definit de diametrul cilindrului și cursa pistonului, iar prin adăugarea volumelor tuturor cilindrilor obținem volumul întregului motor. Teoretic este posibil ca un motor pentru aceeași cilindrare să aibă un singur cilindru mare sau un număr mai mare de cilindri mai mici. Ce versiune este mai bună și de ce? Întrucât vorbim (cel mai adesea) despre un motor în patru timpi, versiunea cu un singur cilindru va avea o singură cursă la fiecare două rotații ale arborelui cotit. Deoarece motorul consumă energie (sau energie cinetică) la celelalte trei curse, este necesar să-l acumulezi în timpul cursei de lucru și să-l eliberezi în celelalte trei. În acest scop, se folosește o volantă a cărei masă este mai mare cu cât este mai mic numărul de cilindri și în ciuda unei volante mari.

Cu cât numărul cilindrilor este mai mare, cu atât funcționarea motorului este mai uniformă (deși aici există excepții, acest fapt poate fi luat ca regulă). Motoarele cu un număr mai mare de cilindri au nevoie de volante mai mici, iar echilibrul ideal este un motor cu 12 cilindri al cărui program de aprindere este optim. De regulă, motoarele cu mai mulți cilindri sunt acționate în configurația V pentru a reduce lungimea lor.

Idealul echilibrului este un motor cu 12 cilindri a cărui sincronizare a aprinderii este optimă

Cu toate acestea, cel mai important factor în a determina numărul si dispunerea cilindrilor este volumul individual al fiecărui cilindru, care este desigur egal. Când dimensiunea cilindrului scade, volumul său scade mai repede decât suprafața sa, ceea ce înseamnă că se pierde mai multă căldură de ardere prin suprafața mai mare a pereților cilindrului, care se îndreaptă către lichidul de răcire și mediul în loc să contribuie la expansiunea gazului și la împingerea pistonului.Un volum de 200 cmc pe cilindru este considerat a fi minimul pentru o eficiență termică și mecanică acceptabilă, în timp ce este de dorit să aveți peste 300 cmc.

Pe de altă parte, un volum foarte mare de cilindri ar provoca probleme cu arderea, deoarece într-un spațiu mare, combustibilul nu arde suficient de repede. Dacă cilindrul ar avea un diametru mic și o cursă foarte mare, ar provoca pierderi mecanice de frecare foarte mari, ceea ce din nou nu este acceptabil, iar astăzi există o versiune standard „pătrată” în care diametrul și cursa pistonului sunt aproximativ la fel. Volumul cilindrilor de peste 800 cmc sau peste 100 mm în diametru nu este recomandat. Pentru un calcul mai ușor, doar faptul că un motor pătrat cu un diametru (și cursă) de 86 mm cu patru cilindri are exact doi litri (1,998 cmc), în timp ce șase astfel de cilindri dau trei litri și opt cilindri dau patru litri. Prin urmare, nu este o coincidență faptul că majoritatea motoarelor V10 au aproximativ cinci litri.

Există, desigur, excepții, în special în America, unde motoarele au volume individuale mai mari, dar de regulă, acestea sunt motoare cu turații de rotație mai mici decât în ​​Europa. Acest lucru înseamnă că motoarele de aproximativ un litru și mai puțin au trei cilindri în mod regulat din aceste motive.

Un volum de 200 cm³ pe cilindru este considerat a fi un minim pentru o eficiență termică și mecanică acceptabilă, în timp ce de preferință este mai mare de 300 cm³.

Ce se întâmplă în motor?

Pistonul se deplasează în sus, ajunge la GMT și revine înapoi la DMT și apoi în sus. Tija pistonului se leagănă de la stânga la dreapta, arborele cotit se rotește. Pistonul are o anumită masă, iar tija pistonului o însoțește. Mișcarea este accelerată tot timpul, adică viteza pistonului nu este niciodată constantă. Deci are o forță inerțială care se schimbă în direcție și cantitate.

Aceasta este o sursă de vibrații de la motorul nostru pornind de la cositoare. Ce se întâmplă dacă am lua două pistoane egale și le-am regla astfel încât atunci când unul urcă, celălalt coboară? Atunci forțele lor inerțiale s-ar anula în interiorul motorului și ar funcționa încă, nu-i așa?

Dacă avem doi cilindri, atunci ceasul de aprindere se va întâmpla de două ori mai des (văzut la nivelul motorului), adică fiecare arbore cotit se învârte la 360°. Ceea ce înseamnă că ambele pistoane merg în sus și în jos în același timp. 

Ei bine, să adăugăm un alt cilindru. Decalajul de aprindere merge în direcția corectă, fiecare cursă separând arborele cotit la 240°. Privind înainte, arborele cotit arată ca o stea Mercedes. Când toate forțele sunt luate în considerare acum, ele sunt echilibrate. Motorul nostru nu sare ca un nebun în sus și în jos, dar se leagănă la stânga și la dreapta. Ce se întâmplă acum?

Exploziile din microbii oscilanți ai cilindrilor, bielele și arborele cotit sunt sursa vibrațiilor

Momentul acestor forțe inerțiale nu este echilibrat. Poate fi aliniat cu un arbore special pe care vor exista greutăți care să corespundă cu forțele de inerție ale pistoanelor și arborele respectiv trebuie să se rotească în direcția opusă a arborelui cotit cu aceeași viteză. 

Deci, de ce să nu adăugați un alt cilindru? Oricum, 85% dintre motoare au o astfel de configurație. Distanța de aprindere este acum exact de 180°. Doi cilindri urcă, doi coboară. Lasă-le pe cele exterioare să urce, lasă pe cele interioare să coboare! Forțele inerțiale sunt echilibrate, la fel și momentul lor. Totul minunat? Nu chiar. Natura ne-a lăsat cu o altă capcană; când aceste forțe sunt descrise prin suma ordinii, se obține primul termen (reprezentând forțele primului ordin) și al doilea (aproximativ 30% din ordinul de mărime al celui de-al doilea, o forță de ordinul doi acționând la de două ori mai frecventă). Forțele de ordinul doi se uită în sus în același timp, așa că mai jos, motorul nostru nu mai este atât de frumos echilibrat pe cât am crezut.

Și asta poate fi rezolvat; doi arbori care se rotesc în direcții opuse de două ori mai repede decât arborele cotit îl vor anula și el. Astfel de soluții sunt destul de rare, dar nu inexistente. Este aproape exclusiv un motor de doi litri sau mai mare care echilibrează perfect. Dar această complicație cu arborii suplimentari nu arată foarte frumos și consumă energie.

Doi arbori care se rotesc în direcții opuse de două ori mai repede decât arborele cotit vor anula vibrațiile și vor echilibra motorul

Următorul pas este să adăugați încă doi cilindri. Șase obișnuite. E bine. Toate forțele și momentele inerțiale sunt echilibrate. Nu e de mirare că BMW jură o astfel de configurație. Totuși, un astfel de motor este lung. De aceea, așază niște cilindri în aranjamentul V. Și acum vine întrebarea crucială: care este unghiul dintre cilindri?

Școala spune: 120° asigură o distanță uniformă a aprinderii. Ei bine, asta este prea larg. De aceea se face de obicei în 60°. Apoi, arborele cotit este rupt, dar totul este în echilibru. Dacă unghiul este de 90°, atunci forțele de ordinul întâi nu sunt echilibrate, deci se adaugă un arbore de echilibrare. V90 de 8° este un exemplu școlar de motor care nu face absolut nimic. Forța, cuplul, distanța de aprindere. V10 necesită un unghi de 72° (distanță de aprindere egală), unghiul V12 de 60°.

Au mai rămas boxeri. Cu ele, unghiul dintre cilindri este de 180°, dar pistoanele nu merg în aceeași direcție ca la motorul în V, ci în direcția opusă. Consecință: patru cilindri au forțe inerțiale echilibrate, dar nu au momente. La boxerii cu șase cilindri, totul este în echilibru.

Dacă ți-a plăcut acest articol și te-a ajutat să înțelegi cum este definit numărul și dispunerea cilindrilor te invit la noi pe blog pentru a citi mai multe articole.