Ο αριθμός καθώς και η διάταξη των κυλίνδρων από τον οποίο απαρτίζεται το μπλοκ ενός κινητήρα αποτέλεσε επί σειρά ετών την μεγαλύτερη σπαζοκεφαλιά των κατασκευαστών αυτοκινήτων, στην προσπάθεια τους να διατηρήσουν τις ισορροπίες μεταξύ του χαμηλού κόστους της συνολικής κατασκευής και την αυξημένη απόδοση του μηχανικού συνόλου.
Στις αρχές του 20ου αιώνα εμφανίστηκαν οι πρώτοι πολυκύλινδροι κινητήρες οι οποίοι αντικατέστησαν τους μονοκύλινδρους καθώς οι πρώτες διατάξεις διακρίνονται για την ομαλή και ισορροπημένη λειτουργία τους ενώ η απόδοση τους είναι σαφώς μεγαλύτερη. Οι δοκιμασμένες λύσεις προσανατόλισαν την σύγχρονη αυτοκινητοβιομηχανία στην κατασκευή κινητήρων ευρείας παραγωγής όπου ο θάλαμος καύσης του κάθε κυλίνδρου δεν ξεπερνά τα 600 κ.εκ.
Η επιλογή μεγαλύτερης χωρητικότητας στην πράξη δεν αποδεικνύεται ωφέλιμη λόγω των αυξημένων διαστάσεων και των υπέρβαρων εμβόλων. Από την άλλη, ανάλογα με την διαρρύθμιση των κυλίνδρων τα βασικότερα προβλήματα επικεντρώνονται στην εξισορρόπηση των δυνάμεων οι οποίες αναπτύσσονται κατά την παλινδρομική κίνηση των εμβόλων.
Άλλωστε πως είναι δυνατό να μην δημιουργούνται αναπτύσσονται κραδασμοί και δονήσεις από μια πηγή ενέργειας της οποίας η λειτουργία βασίζεται σε πολλαπλές εκρήξεις και την κίνηση πολλαπλών μηχανικών εξαρτημάτων; Ας εξετάσουμε τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της κάθε μιας διατάξεως ανάλογα με τον αριθμό των κυλίνδρων.
Δικύλινδροι εν σειρά
Η δικύλινδρη διάταξη κινητήρων σε σειρά αποτελεί μάλλον το μηχανικό σύνολο με τα περισσότερα μειονεκτήματα καθώς και τα δύο έμβολα σε κάθε κύκλο καύσης κινούνται προς την ίδια κατεύθυνση με αποτέλεσμα το μέγεθος των κραδασμών να διπλασιάζεται σε σχέση με ένα μονοκύλινδρο κινητήρα. Στην περίπτωση που όταν το ένα έμβολο ανέβαινε και το άλλο κατέβαινε το αποτέλεσμα θα ήταν χειρότερο εξαιτίας του μεγάλου μεγέθους της ροπής. Η συγκεκριμένη διάταξη έχει χρησιμοποιηθεί στο παρελθόν σε φτηνά μοντέλα παραγωγής όπως το Fiat 128 αλλά και το Honda Today που περιορίστηκε μόνο στην ιαπωνική αγορά.
Τρικύλινδροι εν σειρά
Ο τρικύλινδρος κινητήρας δεν συνηθίζεται να χρησιμοποιείται από τους κατασκευαστές καθώς δεν υπερτερεί σε κάτι από τον τετρακύλινδρο, με εξαίρεση τις μικρότερες διαστάσεις οι οποίες επιτρέπουν την τοποθέτηση του σε περιορισμένους χώρους. Ωστόσο τα τελευταία χρόνια έχουν ξεπεραστεί βασικά προβλήματα τα οποία αφορούσαν την πολυπλοκότητα της κατασκευής του στροφαλοφόρου άξονα ενώ οι κραδασμοί και οι δονήσεις έχουν μειωθεί σε σημαντικό βαθμό εξαιτίας της υιοθέτησης μιας ατράκτου η οποία περιστρέφεται με ταχύτητα ίδια με αυτή του στροφαλοφόρου εξισορροπώντας τις αντίρροπες δυνάμεις οι οποίες προέρχονται από την ασύμμετρη κίνηση των εμβόλων.
Στους τρικύλινδρους κινητήρες όταν το ένα έμβολο βρίσκεται στο άνω νεκρό σημείο τα υπόλοιπα δύο είναι ήδη στο κάτω νεκρό σημείο. Αντιπροσωπευτικά παραδείγματα είναι αυτό των Citroen C1/Peugeot 107/Toyota Aygo, Opel Agila, Suzuki Splash/Alto που εξοπλίζονται με τρικύλινδρα μηχανικά σύνολα των 1.000 κ.εκ.
upd: Διαβάστε για τους Ford 1.0 Ecoboost και τους Renault Energy
Τετρακύλινδροι εν σειρά
Η διάταξη η οποία έχει επικρατήσει εδώ και αρκετές δεκαετίες δεν είναι άλλη παρά αυτή των τεσσάρων κυλίνδρων σε σειρά. Η ομαλή λειτουργία, η απλότητα της κατασκευής, οι σχετικά μικρές διαστάσεις και το χαμηλό κόστος είναι μερικά από τα στοιχεία τα οποία χαρακτηρίζουν την αξιόπιστη επιλογή για τους περισσότερους κατασκευαστές εξοπλίζοντας με την συγκεκριμένη διάταξη το μεγαλύτερο ποσοστό από τα αυτοκίνητα του πλανήτη.
Ωστόσο τα μεγαλύτερα μειονεκτήματα παρουσιάζονται σε κινητήρες των οποίων η χωρητικότητα του κάθε κυλίνδρου ξεπερνούσε τα 500 κ.εκ. Στην περίπτωση αυτή η κίνηση του στροφαλοφόρου συνδυάζεται με την κίνηση δύο ατράκτων εξισορρόπησης των δυνάμεων.
Η λύση αυτή είχε υιοθετηθεί στο παρελθόν στους υπερτροφοδοτούμενους κινητήρες των 1,6 λίτρων της Lancia Delta HF, στους δίλιτρους των Fiat Croma και Lancia Thema καθώς και στο Saab 9000. Ένας από τους ισχυρότερους τετρακύλινδρους κινητήρες είναι αυτός των τριών λίτρων που κινεί τις Porsche 944 S2 και 968.
Πεντακύλινδροι εν σειρά
Η διάταξη των 5 κυλίνδρων επιτρέπεται μόνο σε σειρά και εφαρμόζεται συνήθως σε κινητήρες diesel. Την τελευταία εικοσαετία οι εταιρίες οι οποίες είχαν υιοθετήσει την συγκεκριμένη διάταξη είναι η Audi (2,5 λίτρα), η Honda (στο Acura), η Fiat (2,0 και 2,4 λίτρα της σειράς Super Fire) και η Mercedes-Benz (κινητήρες diesel).
Αφήσαμε τελευταία την Volvo (με την Ford) η οποία έχει να επιδείξει από παλιά ισχυρά υπερτροφοδοτούμενα μηχανικά σύνολα των 2,0, 2,3, 2,4 και 2,5 λίτρων εκ των οποίων εξοπλίζουν ανάμεσα σε άλλα τα S60, S80 και V70. Συνήθως το κριτήριο επιλογής μιας τέτοιας διάταξης είναι η χωρητικότητα, ο τύπος του κινητήρα (βενζίνη ή diesel) και οι επιτρεπόμενες διαστάσεις.
Εξακύλινδροι εν σειρά & κινητήρες V6
Οι εξακύλινδροι κινητήρες χαρακτηρίζονται από τις περισσότερες παραλλαγές όσον αφορά στην διάταξη καθώς οι έξι κύλινδροι μπορούν να τοποθετηθούν σε σειρά, επίπεδα, αλλά και σε σχήμα V (υπό γωνία 90,60 και 120 μοιρων). Το σημαντικότερο πλεονέκτημα όλων των εξακύλινδρων κινητήρων ανεξαρτήτου διατάξεως είναι η βελούδινη και αθόρυβη λειτουργία εξαιτίας της αλληλεξουδετέρωσης των δυνάμεων με αποτέλεσμα την μηδενικά θεωρητικά παρουσία κραδασμών.
Το βασικότερο μειονέκτημα της εξακύλινδρης διαρρύθμισης των κυλίνδρων σε σειρά επικεντρώνεται στο αυξημένο μήκος του κινητήρα ενώ αντίθετα της διάταξης V στο μεγάλο πλάτος. Η διάταξη V εφαρμόζεται από τους περισσότερους κατασκευαστές σε κυρίως αυτοκίνητα με οικογενειακό χαρακτήρα εξαιτίας της αθόρυβης λειτουργίας και τα μεγάλα αποθέματα ροπής από τις χαμηλές στροφές ενώ χρησιμοποιούνται ευρέως και σε σπορ αυτοκίνητα.
Οι εξακύλινδροι σε σειρά – με τους οποίους η BMW εξοπλίζει διάφορα μοντέλα της άνω των 2.000 κ.εκ.- έχουν επιπλέον χαμηλότερο κόστος κατασκευής. Η Rolls-Royce Silver Ghost, η Bentely Speed Six, η Mercedes-Benz SSK, η σειρά XK της Jaguar και αρκετά μοντέλα της Bugatti είναι μερικά από τα μοντέλα τα οποία εξοπλίζονται με εξακύλινδρους σε σειρά. Από μηχανολογική άποψη τα βασικότερα μειονεκτήματα των V6 αφορούν στο αυξημένο βάρος καθώς και στην απώλεια ισχύος η οποία απορροφάται από τα περισσότερα κινούμενα μέρη μιας και υπάρχουν δυο σειρές κυλίνδρων τα οποία όμως αντισταθμίζονται από την πραγματικά βελούδινη λειτουργία τους.
Κινητήρες V8
Οι οκτακύλινδροι κινητήρες διάταξης V κατασκευάζονται αποκλειστικά με περιεχόμενη γωνία 90 μοίρες καθώς αποτελεί την μοναδική εκδοχή η οποία συνδυάζει ομαλή λειτουργία και υψηλή απόδοση. Στο παρελθόν ανήκει εδώ και αρκετές δεκαετίες η οκτακύλινδρη διάταξη σε σειρά εξαιτίας του ιδιαίτερα υπερβολικού μήκους. Ωστόσο, ακόμα και οι V8 τοποθετούνται αναγκαστικά κατά τον διαμήκη άξονα με αποτέλεσμα η κίνηση να μεταδίδεται υποχρεωτικά στους πίσω τροχούς.
Τέτοιοι κινητήρες εξοπλίζουν αυτοκίνητα πολυτελείας -όπως η σειρά 7 της BMW και η Mercedes-Benz S-Class- ή σε αυτοκίνητα με καθαρά σπορ χαρακτήρα, με τη χωρητικότητα στις περισσότερες των περιπτώσεων να κυμαίνεται μεταξύ των 3.000 – 6.000 κ.εκ. Με V8 κινητήρες εξοπλίζονται κατά κόρον αμερικάνικα μοντέλα ενώ στους εξωτικούς ευρωπαίους κατασκευαστές ανήκουν η ιταλική φίρμα Ferrari και οι αγγλικές Lotus και TVR.
* Όταν αναφέρεται κάποιος σε V διάταξης κινητήρες και σε μοίρες κάνει λόγο για την περιεχόμενη γωνία ανάμεσα στα δύο σκέλη κυλίνδρων (η οποία στους V8 είναι η ιδανική στις 90 μοίρες). Ωστόσο, υπάρχει και μια σημαντική παράμετρος όσον αφορά στον στροφαλοφόρο και τις θέσεις των κομβίων που αρθρώνονται οι διωστήρες πάνω σε αυτόν. Έτσι, όταν τα κομβία σχηματίζουν ορθή γωνία (90 μοίρες) μιλάμε για έναν διαγώνιο V8 (cross-plane) ενώ όταν τα κομβία βρίσκονται απέναντι το ένα με το άλλο (σχηματίζοντας γωνία 180 μοιρών) τότε έχουμε ένα επίπεδο V8 (flat-plane).
Οι περισσότεροι V8 είναι διαγώνιοι και χαρακτηρίζονται από τον πιο γεμάτο ήχο τους και το βαρύτερο στροφαλοφόρο με κάπως αργό αλλά ροπάτο στροφάρισμα χαμηλά. Η Ferrari είναι ένας από τους ελάχιστους κατασκευαστές που χρησιμοποιούν επίπεδους flat-plane V8 με κύριο χαρακτηριστικό τον ξερό ήχο που βγάζουν και την μεγάλη ροπή στις υψηλές στροφές.
Κινητήρες V10 & V12
Η επιλογή ενός υπερβολικά μεγάλου σε μήκος μηχανικού συνόλου επιλέγεται από τους κατασκευαστές κυρίως λόγω πρεστίζ και επίδειξης τεχνολογικής ισχύος παρά από λειτουργική άποψη καθώς οι διαφορές στην απόδοση με έναν V8 είναι μικρές. Τα βασικότερα πλεονεκτήματα αφορούν στην υπέρογκη κατασκευή, στο μεγάλο βάρος καθώς και στο υψηλό κόστος κατασκευής. Η Ferrari και η Lamborghini είναι μερικές από τις εταιρείες που κατασκευάζουν μοντέλα υψηλών τεχνολογικών προδιαγραφών και εξοπλίζουν μοντέλα τους όπως η 460 και η Diablo με ανάλογους κινητήρες. Με V10 κινητήρες εξοπλίζονται τα μονοθέσια της formula 1.
Κινητήρες W
Το 1991 η Volkswagen είχε παρουσιάσει έναν επαναστατικό κινητήρα διάταξης V καθώς η περιεχόμενη γωνία μεταξύ των δυο σειρών των κυλίνδρων ήταν υπερβολικά μικρή, μόλις 15 μοίρες. Στην ουσία ήταν ένας κινητήρας διάταξης V παρά το γεγονός ότι προσέγγιζε τους εν σειρά καθώς το πλάτος του ήταν μικρότερο από αυτό ενός V6 όπως και το μήκος του από έναν εν σειρά διάταξης κινητήρα. O συγκεκριμένος κινητήρας ονομάστηκε VR6 και εξόπλισε στο παρελθόν τα Golf 3 και Corrado καθώς και την σειρά V-Class της Mercedes.
Πριν από μερικά χρόνια ο δαιμόνιος μηχανικός -μεταξύ άλλων- Piech σε συνεργασία με λοιπά στελέχη του ομίλου VW, επινόησε έναν κινητήρα διάταξης W, ο οποίος στην ουσία συνδυάζει δύο κινητήρες διάταξης VR6. Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα αυτής της διάταξης αφορούν στα τεράστια αποθέματα από τις χαμηλές στροφές καθώς και στην μεταξένια λειτουργία τους.
To αξιοθαύμαστο είναι ότι ενώ υπάρχουν δύο εκκεντροφόροι σε κάθε σειρά κυλίνδρων -τέσσερις ανά σκέλος- ο καθένας εργάζεται ξεχωριστά και για τις δύο σειρές των βαλβίδων εξαγωγής ενώ ο άλλος για τις βαλβίδες εισαγωγής. Έτσι, επιτυγχάνεται η δυνατότητα ρύθμισης των βαλβίδων για καλύτερη “αναπνοή” και κατ΄επέκταση απόδοση του κινητήρα. Οι κινητήρες διάταξης V μπορεί να έχουν μικρότερο μήκος ωστόσο το πλάτος τους είναι σχεδόν το διπλάσιο από αυτούς σε σειρά, εξαιτίας της περιεχόμενης γωνίας η οποία κυμαίνεται συνήθως από 60° έως 90° μοίρες.
H αρχιτεκτονική του κινητήρα W. Όπως φαίνεται από τις φωτογραφίες, και με λίγη παραπάνω φαντασία, θα διαπιστώσετε ότι ο W8 o οποίος εξοπλίζει το Passat αποτελείται από δυο “παράκεντρους” V4 κινητήρες ενώ το κάθε σκέλος από τα δυο παραπέμπει άμεσα στους κινητήρες διάταξης VR6. Το καθένα σκέλος του W8 αποτελείται από τέσσερις κυλίνδρους ή δύο σειρές ενός V4 κινητήρα.
Οι δύο σειρές του κάθε σκέλους απέχουν μεταξύ τους 15° ενώ η περιεχόμενη γωνία ανάμεσα στα δυο τετρακύλινδρα σκέλη είναι 72°. Οι δύο άξονες οι οποίοι έχουν τοποθετηθεί στο κάτω μέρος του κινητήρα, βοηθούν στην εξισορρόπηση των δυνάμεων οι οποίες αναπτύσσονται από τα κινούμενα μέρη, μειώνοντας σημαντικά τις ταλαντώσεις και τους κραδασμούς του κινητήρα.
Οι άξονες αυτοί έχουν τoποθετηθεί οριζόντια ως προς τον στροφαλοφόρο στο ίδιο περίπου ύψος με τον τελευταίο ενώ περιστρέφονται κατά την αντίθετη φορά με διπλάσια ταχύτητα από αυτή του στρόφαλου. Ο στροφαλοφόρος άξονας είναι κατασκευασμένος από κραματικό χάλυβα ενώ για να επιτευχθεί ο προδιαγραφόμενος χρονισμός αναφλέξεων το κάθε στροφείο -το σημείο έδρασης του διωστήρα- έχει ως offset τις 180 μοίρες.
Επίπεδοι κινητήρες (boxer)
Οι αυτοκινητοβιομηχανίες που συνεχίζουν να κατασκευάζουν ακόμα επίπεδους κινητήρες είναι ελάχιστες. Οι επίπεδοι κινητήρες ήταν ιδιαίτερα δημοφιλής κατά την περίοδο του Β΄ Π.Π. ενώ οι χώρες οι οποίες επικέντρωσαν το ενδιαφέρον του στην κατασκευή του συγκεκριμένου εισόδους ήταν η κυρίως η Γερμανία και η Γαλλία. Τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα της συγκεκριμένης διάταξης ήταν οι σχεδόν ανύπαρκτοι κραδασμοί και η υψηλή απόδοση ισχύος και ροπής από τις χαμηλές στροφές εξαιτίας της αντικριστής τοποθέτησης των κυλίνδρων.
Αναλυτικότερα, η μία σειρά κυλίνδρων λειτουργεί ως αντίβαρο της άλλης παρουσιάζοντας θεωρητικά μηδενική συνισταμένη των παλινδρομικών δυνάμεων που δημιουργούνται από την κίνηση των εμβόλων. Εξαιτίας της μεγάλης επιφάνειας η αποβολή θερμότητας ήταν μεγάλη και δεν απαιτούσε σύστημα ψύξης. Παράλληλα το μικρό τους βάρος και το μειωμένο τους ύψος επιδρούν σημαντικά στην οδική συμπεριφορά του αυτοκινήτου καθώς η τοποθέτηση τους χαμηλώνει το κέντρο βάρος του αυτοκινήτου επηρεάζοντας άμεσα την δυναμική κατάσταση του οχήματος.
Σήμερα οι μοναδικοί εκπρόσωποι του είδους είναι η Porsche και η Subaru. To σπορτιφ παράρτημα πλέον της Fiat, η Alfa Romeo, εξόπλιζε τα μοντέλα της για πολλά χρόνια με κινητήρες τύπου boxer τους οποίους όμως αντικατέστησε με εκείνους τεχνολογίας Twin Spark. Ωστόσο δεν ήταν λίγες οι εταιρίες που χρησιμοποιούσαν κινητήρες boxer τα περασμένα χρόνια.
Περιστροφικοί κινητήρες (Wankel)
Ο περιστροφικός κινητήρας μπορεί να χαρακτηριστεί ως επαναστατικός από κάθε άποψη. Η ονομασία του οφείλεται στον ομώνυμο γερμανό μηχανολόγο ο οποίος επινόησε το 1951 έναν κινητήρα ο οποίος αρχικά προοριζόταν για συμπιεστής. Το πρώτο αυτοκίνητο το οποίο εφοδιαζόταν με κινητήρα Wankel ήταν το ριζοσπαστικό -από άποψη ισχύος και για τα δεδομένα της εποχής- NSU Spider εν έτη 1963. Από μηχανολογική άποψη τα πλεονεκτήματα ενός κινητήρα Wankel σαφώς και υπερβαίνουν τα μειονεκτήματα του. Τα βασικά μέρη ενός περιστροφικού κινητήρα είναι ένα ρότορας με τριγωνικό έμβολο ο οποίος διαγράφει ημιελλειπτική τροχιά σε έναν οβάλ θάλαμο καύσης.
Συμπερασματικά τα κινούμενα μηχανικά μέρη είναι κατά πολύ λιγότερα από αυτά ενός παλινδρομικού κινητήρα καθώς δεν υφίσταται στροφαλοφόρος, εκκεντροφόρος και βαλβίδες με αποτέλεσμα τον μειωμένο όγκο και το βάρος και την ομαλή και αθόρυβη λειτουργία του. Ωστόσο το σημαντικότερο πλεονέκτημα του αφορά την απόδοση του. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι ένας δικύλινδρος Wankel μπορεί να έχει την ίδια ιπποδύναμη και ροπή με έναν διπλάσιας χωρητικότητας κινητήρα Otto. Ένα από τα καλύτερα παραδείγματα αποτελεί το Mazda RX-7 του οποίου ο χωρητικότητας μόλις 1.308 κ.εκ. κινητήρας απέδιδε σε συνδυασμό με υπετροφοδότηση 240 ίππους.
Για το RX-8 τα ξέρετε ήδη καθώς η Mazda παραμένει η μοναδική εταιρεία που επιμένει στην εξέλιξη και την τοποθέτηση του περιστροφικού κινητήρα Wankel. Τα αρχικά μειονεκτήματα που είχαν παρουσιαστεί στους πρώτους Wankel αφορούσαν την μη επαρκή στεγανοποίηση των θαλάμων με αποτέλεσμα την απώλεια συμπίεσης και τον χαμηλό βαθμό απόδοσης. Εν συνεχεία με την εξέλιξη της μεταλλουργίας τα προβλήματα φθοράς των ελατήριων ξεπεράστηκαν όχι όμως και η υψηλή κατανάλωση καθώς και οι υψηλές εκπομπές ρύπων. Ωστόσο, η Mazda δεν φαίνεται να το βάζει κάτω και παρατείνει την διάρκεια ζωής των Wankel ο οποίος καταναλώνει μέχρι και υδρογόνο.
