Mese a Ford Scorpio 2.3i DOHC motorról

(A cikk angol eredetije a http://www.fordscorpio.co.uk honlapon olvasható.)

Amikor először hallottam a 2.3-as DOHC motorról, rögtön kiváncsi lettem. Ritkán hallani 2 liter fölötti négyhengeres motorról - két liter fölött a gyártók inkább a soros vagy V elrendezésű hathengereseket kedvelik. A zászlóshajója számára a Ford nyilvánvaló szándéka volt egy nagyobb négyhengeres motor megépítése, ami egyúttal az Explorerbe is találó lenne.  89.6 mm-re növelték a 2.0 DOHC motor furatát, így a lökettérfogat 2295 köbcentire nőtt. Magától értetődő a négyhengeres haszna: alacsonyabb komplexitás, kisebb súly, egyszerűbb gyújtás, és még sorolhatnánk az előnyöket. Korábban a Ford a 2.4-es Scorpio motort a 2.9 V6 "Cologne" motor "lekicsinyítésével" alakította ki - ám ez nem hozta meg a kívánt sikert,  ugyanis a viszonylag magas fogyasztáshoz párosuló alacsony teljesítménnyel szerzett magának rossz hírnevet.

Ha ez a helyzet, az emberben önkéntelenül felmerül a kérdés, hogy akkor miért nem készítenek inkább mondjuk négy literes soros négyhengeres motorokat? Minek kínlódni a V6-osok hatalmas fejlesztési költségeivel vagy a "sorhatosok" hosszából adódó elhelyezési nehézségekkel? Végülis nincs más dolog, mint felfúrni a hengereket, és megnövelni a löketet... Megvannak a kétliteres motor számítógépes tervei, mást nem kell tenni, mint arányosan megnövelni a méreteket, ugye? Két dugattyú fenn a hengerben, kettő pedig lenn, ezek kiegyensúlyozzák egymást, nemdebár?

Hát izé... nem éppen. :)

A következőkben meglátjuk, hogyan tette ezt részben mégis lehetővé egy 1911-ből származó felfedezés.

Annak érdekében, hogy egy sima járású és kifinomult motort kapjunk, elsősorban nem árt meggyőződnünk arról, hogy az menet közben nem tépi le magát a tartóbakjairól, hogy aztán végigszánkózzon az utcán... szóval itt rögtön szóbajön négy fontos tényező. Ezek:  az összetevők egyensúlya, a gyújtási sorrend, az elsődleges egyensúly, valamint a másodlagos egyensúly.

Az első kettő meglehetősen általános megfontolás. Ha adott egy forgó mozgó szerkezet, ellenőriznünk kell a tömegek megfelelő kölcsönös kiegyensúlyozottságát, valamint figyelnünk kell rá, hogy a forgó egységek oly módon legyenek rögzítve, hogy esetleges kiegyensúlyozatlanságuk összegződése ne eredményezzen nemkívánt vibrációkat, rezgéseket. Emiatt a lendkereket például általában úgy alakítják ki, hogy beszerelése csak egyetlen jól meghatározott pozícióban lehetséges, és így tovább.

A gyújtási sorrendet oly módon kell kiválasztani, hogy a motor azonos vége mellett elhelyezkedő két hengerben a gyújtás ne kövesse egymást - arra kell törekedni, hogy a motor egyik végéhez közel lévő henger gyújtását a motor másik végében lévő henger gyújtása kövesse és így tovább és ez minimalizálja az vízszintes síkbeli mocorgó mozgást.

És ekkor elérkezünk az elsődleges egyensúly kérdéséhez, amely azon tehetetlenségi erőkkel jön képbe, amelyek minden alkalommal fellépnek, valahányszor egy-egy dugattyú irányt vált a hengerben: egyszer a felfelé mozgás során majd ismét, amikor lefelé mozog. Egy dugattyúnak jelentős tömege van, és egyetlen tömeggel rendelkező test sem kényszeríthető a mozgásirányának megváltoztatására anélkül, hogy az ellen ne állna a kísérletnek. Ezt a tehetetlenségi erőt tehát ki kell egyenlíteni. Az alábbi ábrán szemléltetjük a dugattyúkra ható tehetetlenségi erőket.

A fenti ábra azt mutatja, hogy egy négyhengeres motor igen jó elsődleges egyensúllyal rendelkezik, mivel két dugyattyún a felső holtpontban fellépő erő jól kiegyensúlyozza a másik két dugattyún az alsó holtpontban fellépő erőt. No de mi van a másodlagos egyensúllyal - és tulajdonképpen mi is az?

Nos, tehát, messze attól, hogy lágy és harmonikus mozgást végezne, a dugattyú sebessége ciklikusan változik a főtengely minden fordulatánál: gyors-lassú-lassú-gyors. Miközben két dugyttyú gyorsan halad a fenn, két másik lassan halad lenn, és ez a dugattyúkra ható nettó második erőt eredményez - a másodlagos erőt. Az alábbi ábra a négy hengerre ható elsődleges és másodlagos erőket szamlélteti (Fx - elsődleges erők, S - másodlagos erő):

Az összhatás: függőleges síkú rezgés, a főtengely forgási frekvenciájának kétszeresével.

Egy háromhengeres motorban a dugattyúk fáziseltérése 120ş, és ez képes kiegyenlíteni a másodlagos erőt. Bár a "három henger" elég furán hangzik, tulajdonképpen ez a konstrukció nagyon jó elsődleges és másodlagos egyensúllyal rendelkezik: egy dugattyút mindig kiegyensúlyoz a másik kettő. A V6-os vagy a "sorhatos" motor tekinthető két "sorhármas" motornak, és ez rögtön megmagyarázza, miért sokkal finomabb járásúak ezek a motorok, mint a négyhengeresek, és miért alkalmazzák őket előszeretettel a drágább autókban, ahol a motor kifinomult viselkedése alapvető elvárás.

A másodlagos erők legyőzése érdekében a járműtervezők milliókat költöttek már a rezgéseket mind jobban elnyelő rugalmas motor-rögzítések kifejlesztésére. Ezek izolálják a jármű belsejétől a bizonyos nagyobb sebességeknél a négyhengeresekben érezhető (és hallható) 'morgást', ami viszont "hiányzik" a hathengeresek esetében. Ugyanakkor még a Ford által használt hidraulikus motorrögzítésnek is megvannak a maga korlátai - pedig minél nagyobb a motor hengerűrtartalma, annál nagyobb a dugattyúk tömege, és így annál nagyobb a másodlagos rezgés.

Mindezek ellenére a Ford 2.3-asának kipróbálásakor nagyon sok autós újságírónak feltűnt, mennyire finom és halk járású ez a négyhengeres motor. Ez hogyan lehetséges? A választ még 1911-ben adta meg egy bizonyos Mr. Lanchester.

A hathengeresek jóval nagyobb súlya és komplexitása ezen motorok pusztán csak halk járásuk miatti alkalmazása ellen szól. Amit a gépjárműgyártók akarnak: egy négyhengeres motor, ami könnyű, erőteljes, gazdaságos - és nagyon finom, halk járású.

Érdekes tény, hogy a másodlagos kiegyensúlyozatlanság kérdése már 1911 óta nem kérdés. Abban az évben a Lanchester gépkocsikban már alkalmaztak másodlagos kiegyensúlyozó tengelyeket, amelyek megtették a lehetetlent: felfelé mutató kiegyensúlyozó  erőt fejtettek ki pont a megfelelő időben, majd egy lefelé mutatót szinténa  megfelelő időben - és e kettő között semmit nem tettek. A mellékelt ábrán szemléltetjük a kiegyensúlyozó tengelyek elvi működését.

Az A ábra mutatja a megoldás leleményességét. Két egymással szemben forgó tengely súlyokat hordoz és a főtengely fordulatszámának kétszeresével forog. Forgásuk úgy van időzítve, hogy súlyaik egyirányban álljanak (lefelé), amikor két dugattyú is a felső holtponton van, és kiegyenlítsék a keletkező másodlagos erőt. 45 fokkal később (B) már nincs rájuk szükség, de ekkor már szembefordították egymással a súlyaikat, és ezzel kioltják egymás hatását. A (C) pontban, a főtengely 90 fokos fordulatánál felfelé irányuló erőt fejtenek ki, majd ismét kioltják egymást a (D) pontban, amikor már nincs szükség az egyensúlyozó erőre. Kis súrlódású, könnyű csapágyakon eképpen forogva, a másodlagos kiegyensúlyozó tengelyek igen sikeresen szerepeltek a Lanchesterekben, ennek ellenére alkalmazásuk mégsem terjedt el. 

1975-ben a Mitsubishi Motors bemutatta az ún. 'Silent Shafts' ("csendtengelyek") megoldást, ami nagyon sokban hasonlít a Lanchester-féle elvhez, azzal a különbséggel, hogy a kiegyensúlyozó tengelyeket eltérő pontokba helyezték, oly módon, hogy a tengelyek a robbanó fázisban fellépő forgató erőt is kioltsák.

A tengelyek oldalirányban a főtengelytől egyenlő távolságra  helyezkednek el a, függőleges irányban pedig egymás középpontjaitól mért távolságuk megegyezik a dugattyú rúdjának 0.7-szeresével. Ezt a rendszert alkalmazták a 2.4 literes Porsche 944 motorjában is, a nyolcvanas években, és állítólag ott 20 decibellel csökkentette a motorzajt.

A Ford egy látszólag teljesen saját tervezésű másodlagos kiegyensúlyozó rendszert alkalmazott a 2.3 DOHC motorban. A két kiegyensúlyozó tengelyt azonos magasságban helyezték el, viszont a főtengely alatt, az olajteknőben lévő, olajba merülő csapágyakon. Az olaj habozódását az ellensúlyokat takaró műanyag elemek akadályozzák meg, a tengelyek főtengelyről való hajtásáról pedig egy szimplex lánc és  helikális (spirális) fogaskerekek gondoskodnak. Ily módon egy nagyon kifinomult, halk járású motort sikerült alkotniuk, melynek súlybeli, méretbeli és egyszerűségbeli előnye egyértelmű a hathengeresekhez képest. Az új motor mechanikailag azonos a 2.0 DOHC 16V motorral, de nagyobb furattal rendelkezik, és magassága is nagyobb, a kiegyensúlyozó modul miatt.

Elsőként a Scorpióban használták ezt a motort, és a szaksajtóban igen jó fogadtatásra talált; lelkes cikkek jelentek meg, melyek kiemelték a motor halkságát és és kifinomult járását. 145 tagú ménesével és megnövelt nyomatékával magától értődően választás lett az új Explorer számára is. E járműbe keresztben építették be, ezért a motorrögzítés és a be/kiömlő csövek ennek megfelelően újra lettek tervezve.

Copyright © 2001 www.fordscorpio.co.uk

Hungarian translation © 2003, Attila Szabó