Broj i raspored cilindara motora

cilindriJaguar V6 Diesel Engine.

Koliko cilindara je optimalno? 

Ako ste imali priliku kositi travu sa benzinskom kosilicom morali ste primetiti kako kosilica jako vibrira . Nikakvo čudo, motor je jednocilindrični, nema zamajac već propeler za košenje i nikakav sistem za uravnoteživanje. Vibracije su neizbežne. Ipak, automobil koji vozite mnogo je mirniji. On ima četiri, možda pet, šest ili ko zna koliko cilindara.

Zapremina jednog cilindra definisana je promerom cilindra i hodom klipa, a zbirajanjem zapremina svih cilindara dobijamo zapreminu celog motora.

Zapremina jednog cilindara definisana je promerom cilindara i hodom klipa, a sabiranjem zapremina svih cilindara dobijamo zapreminu celog motora.

Zašto baš toliko? Koja je njihova konfiguracija? Ko ju je odredio? Zašto?

Zapremina jednog cilindara definisana je promerom cilindara i hodom klipa, a sabiranjem zapremina svih cilindara dobijamo zapreminu celog motora. Teoretski je moguće da motor za istu zapreminu ima samo jedan veliki cilindar ili veći broj manjih cilindara. Koja verzija je bolja i zašto?  Budući da (najčešće) govorimo o četvorotaktnom motoru, verzija s jednim cilindrom imat će samo jedan radni takt u svaka dva okretaja radilice. Budući da o ostala tri takta motor troši snagu (odnosno kinetičku energiju) nužno ju je akumulirati tokom radnog takta i oslobađati u ostala tri. U ovu svrhu se koristi zamajac čija je masa veća što je broj cilindara manji, a prkos velikom zamajacu motor sa samo jednim cilindrom je izrazito neuravnotežen i radi vrlo nemirno.

Što je broj cilindara veći to je rad motora ravnomerniji (iako i ovde ima izuzetaka ova činjenica se može uzeti kao pravilo). Takođe motori s većim brojem cilindara trebaju manje zamajce, a kao ideal uravnoteženosti je 12-cilindrični motor čiji je raspored paljenja optimalan. U pravilu se višecilindrični motori rade u V konfiguraciji da bi im se smanjila dužina.

Ideal uravnoteženosti je 12-cilindrični motor čiji je raspored paljenja optimalan

Ideal uravnoteženosti je 12-cilindrični motor čiji je raspored paljenja optimalan

Ipak, najvažniji faktor u određivanju broja cilindara je pojedinačna zapremina svakog cilindara, koji je naravno jednak. Kad se veličina cilindara smanjuje njegova zapremina brže pada nego njegova površina, što znači da se kroz veću površinu zidova cilindara gubi više toplote sagorevanja koja odlazi u sredstvo za hlađenje i okolinu umesto da pomognu ekspanziji plinova i “guranju” klipa. Smatra se da je zapremina od 200 ccm po cilindru minimum za prihvatljivu toplotnu i mehaničku iskoristivost dok je poželjno da ima preko 300 ccm.

S druge strane jako velika zapremina cilindara uzrokovao bi probleme sa sagorevanjem, jer u velikom prostoru gorivo ne bi stiglo dovoljno brzo sagoreti. Ako bi pak cilindara imao mali prečnik i jako veliki hod to bi uzrokovao jako velike mehaničke gubitke trenja što opet nije prihvatljivo, a danas je ustaljena “kvadratna” verzija u kojoj su promer i hod klipa približno jednaki. Zbog svega navedenog ne preporučuje se zapremina cilindara preko 800 ccm odnosno preko 100 mm prečnika.  Za lakše računanje samo podatak da kvadratni motor promera (i hoda) 86 mm s četiri cilindra ima tačno dve litre (1.998 ccm) dok šest ovakvih cilindara daje tri litre, a osam četiri litre. Zato nije slučajno da većina V10 motora ima oko pet litara odnosno da se zapremina V12 motora kreće oko šest litara.

Naravno ima i izuzetaka, pogotovo u Americi gde motori imaju veće pojedinačne zapremine, ali se po pravilu radi o motorima s manjim brzinama vrtenja nego u Europi. To opet znači da motori zapremine oko jedne litre i manje iz navedenih razloga redovno imaju po tri cilindra.

Smatra se da je zaprermina od 200 ccm po cilindru minimum za prihvatljivu toplotnu i mehaničku iskoristivost dok je poželjno da ima preko 300 ccm.

Smatra se da je zaprermina od 200 ccm po cilindru minimum za prihvatljivu toplotnu i mehaničku iskoristivost dok je poželjno da ima preko 300 ccm.

Što se događa u motoru?

Klip kreće prema gore, dolazi do GMT i vraća se natrag do DMT i onda opet prema gore. Klipnjača se njiše levo-desno, radilica se okreće. Klip ima neku masu, klipnjača koja ga prati takođe. Gibanje je stalno ubrzano, tj. brzina klipa nikad nije konstantna. Dakle, on ima neku inercijsku silu koja se menja po smeru i iznosu.

To je jedan izvor vibracija našeg motora od kosilice s početka teksta. Što ako uzmemo dva jednaka klipa i ugodimo ih tako da kad jedan ide prema gore, drugi ide prema dolje? Onda bi se njihove inercijske sile poništile unutar motora i on bi radio mirno, zar ne?

Doista, to bi umirilo taj deo priče, ali sad se vraćamo na pojam četvorotaktni. Da bi motor uopšte radio, potreban nam je takt ekspanzije koji je se odigra svaki drugi okretaj radilice, tj. za svakih 720 stepena. Želimo da nam motor radi što je moguće ravnomernije, pa je potreban ravnomeran razmak paljenja.

Ako imamo dva cilindra, onda će se takt paljenja događati duplo češće (gledano na nivou motora) tj. svakih 360 stepeni radilice. Što znači da nam sad oba klipa idu gore i dole istovremeno. Umesto jednog, sad imam dvostruko veći problem. Primer je Fiatov Twin Air ( inače sjajni ) motor s dva cilindra.

Pa, da dodamo još jedan cilindar. Stvar s razmakom paljenja ide u dobrom smeru, sad nam svaki radni takt razdvaja 240 stepeni radilice. Ako gledamo od napred, radilica izgleda kao Mercedesova zvezda. Kad se sad razmotre sve sile, ona su uravnotežene. Naš motor ne skače kao lud gore dole, ali se jako njiše levo-desno. Što se sad događa?

Eksplozije u cilidru igibanje kliova, klipnjača i radilice izvor su vibracija

Eksplozije u cilidru igibanje kliova, klipnjača i radilice izvor su vibracija

Moment tih inercijskih sila nije uravnotežen. On se može dovesti u red s posebnim vratilom na kojem će biti tegovi koji po iznosu odgovaraju inercijskim silama klipova i to se vratilo mora vrteti u suprotnom smeru od radilice istom brzinom. Sad je sve u redu, ali to vratilo je komplikacija. Može li se ona izbeći?

Pa što ne bi dodali još jedan cilindar? Ionako 85 posto motora ima baš takvu konfiguraciju. Razmak paljenja sad je točno 180 stepeni. Dva cilindra idu prema gore, dva idu prema dole. Spoljni  neka idu gore, unutrašnji neka idu prema dole. Inercijske sile su uravnotežene, njihov moment takođe. Sve divno?

Ne baš. Priroda nam je ostavila još jednu zamku; kad se te sile opišu sumom reda, dobija se prvi član (koji predstavlja sile prvog reda) i drugi (oko 30 posto reda veličine drugog, sila drugog reda koja deluje dvostruko većom frekvencijom). Sile drugog reda gledaju istovremeno gore, pa dole, naš motor nije više tako lepo uravnotežen kako smo mislili.

I to se da rešiti; dva vratila koja se vrte u suprotnim smerovima dvostruko brže od radilice poništi će i to. Takva su rešenja dosta retka, ali ne i nepostojeća. Gotovo je isključivo reč o motorima zapremine dve litre ili većeg koji se uravnotežavaju u potpunosti. No, ta komplikacija s dodatnim vratilima ne izgleda baš lepo i troši energiju.

Dva vratila koja se vrte u suprotnim smerovima dvostruko brže od radilice poništi će vibracije i uravnotežiti motor

Dva vratila koja se vrte u suprotnim smerovima dvostruko brže od radilice poništi će vibracije i uravnotežiti motor

Sledeći je korak dodavanje još dva cilindra. Redni šest. Tu je sve u redu. Uravnotežene su sve inercijske sile i momenti. Nikakvo čudo da se BMW kune u takvu konfiguraciju. Ipak, takav je motor dugačak. Zato neki cilindre postavljaju u V raspored. I sad dolazi ključno pitanje; koji ugao među cilindrima?

Škola kaže: 120 stepeni osigurava ravnomeran razmak paljenja. No, to je preširoko. Zato se obično radi u 60 stepeni. Tada je radilica razlomljena, ali sve je u ravnoteži. Ako je ugao 90 stepeni tada nisu uravnotežene sile prvog reda pa se dodaje vratilo za uravnoteživanje. V8 pod uglom od 90 stepeni školski je primer motora kod kojeg apsolutno sve štima. Sile, momenti, razmak paljenja. V10 traži ugao od 72 stepeni (jednaki razmak paljenja), V12 ugao od 60 stepeni.

Ostali su još bokseri. Kod njih je ugao između cilindara 180 stepeni, ali klipovi ne idu u istom smeru kao kod V motora već u suprotnim. Posledica: četverocilindraš ima uravnotežene inercijske sile, ali nema momente. Kod šesterocilindričnog boksera sve je u ravnoteži.

Izvor: www.autopartner.com.hr

Be the first to comment on "Broj i raspored cilindara motora"

Leave a comment

Your email address will not be published.


*