از ارتعاش تا هزینه تعمیر؛ ۴ چالش ذاتی موتورهای V6

موتور V6، شش سیلندر خود را در دو ردیف سه‌تایی جداگانه قرار می‌دهد که معمولاً در زاویه ۶۰ درجه نسبت به هم قرار دارند و هر دو ردیف یک میل‌لنگ مشترک در پایین قرار می‌گیرد. این چیدمان دو ردیفی است که آن را از موتور خطی شش سیلندر متمایز می‌کند، موتوری که تمام شش سیلندر را در یک ردیف قرار می‌دهد. پیکربندی V عمدتاً به دلیل ابعاد فشرده وجود دارد: قرار دادن شش سیلندر در قالب V شکل طول موتور را نسبت به آرایش خطی شش سیلندر تقریباً نصف می‌کند، به همین دلیل V6 به‌راحتی در پلتفرم‌های عرضی محرک جلو جای می‌گیرد جایی که یک موتور خطی شش سیلندر اصلاً در آن‌ها جا نمی‌شود.

این فشردگی به V6 کمک کرد که برای دهه‌ها بازار شش سیلندرها را در اختیار بگیرد. با حرکت خودروسازان به سمت طراحی محرک جلو در دهه‌های ۶۰ و ۷۰، طول موتور خطی شش سیلندر به یک نقطه‌ضعف تبدیل شد و V6 این خلأ را در همه‌چیز از سدان‌های خانوادگی تا خودروهای اسپرت و وانت‌ها پر کرد. امروزه موتورهای V6 همچنان طیف گسترده‌ای از خودروها را از کوپه‌های پرفورمنس تا وانت‌های فول ‌سایز به حرکت درمی‌آورند، هرچند موتورهای توربوشارژ چهار سیلندر و موتورهای خطی شش سیلندر در حال کسب سهم بازار آن هستند.

برخی از بدترین موتورهای V6 تاریخ نشان می‌دهند که وقتی نقاط ضعف ذاتی این چیدمان به‌درستی مهندسی نشوند، چه اتفاق بدی می‌تواند رخ دهد. مثل هر چیدمان موتوری، V6 ویژگی‌های مهندسی خاصی دارد که در طراحی آن دیده شده‌اند؛ ویژگی‌هایی که صرف‌نظر از سازنده، به‌صورت مشکلات واقعی خود را نشان می‌دهند.

یکی از دلایلی که موتور خطی شش سیلندر از V6 بهتر است، به تعادل ذاتی آن مربوط می‌شود. وقتی پیستون‌ها در یک آرایش خطی شش سیلندر بالا و پایین می‌روند، نیروها می‌توانند توسط پیستون‌های مقابل که هم‌زمان بالا و پایین می‌روند، متعادل شوند. پس وقتی دورترین پیستون مشتعل می‌شود، نزدیک‌ترین پیستون نیرو را متعادل می‌کند. در پیکربندی V، این امکان وجود ندارد چون پیستون‌ها در دو ردیف چیده شده‌اند و برای اینکه یک V6 به سطح مشابهی از نرمی برسد، به شفت‌های تعادلی نیاز دارد.

یک V6 ارتعاشاتی تولید می‌کند که از طریق میل‌لنگ منتقل می‌شوند. به همین دلیل خودروسازان شفت‌های تعادلی اضافه کردند، چراکه این ارتعاشات می‌توانند کارایی موتور را تحت تأثیر قرار دهند. این شفت‌ها وزن اضافه به موتور می‌دهند و برای چرخش و ایجاد تعادل، مقداری از قدرت موتور را مصرف می‌کنند. با افزایش اندازه موتور، این مشکل اغلب تشدید می‌شود، چون قطعات تعادلی بیشتری لازم است و نیروهای در حال بازی قوی‌تر هستند.

آکادمی ملی علوم آمریکا در ارزیابی خود از فناوری‌های صرفه‌جویی سوخت برای خودروهای سبک بیان می‌کند که شفت‌های تعادلی اتلاف انگلی، وزن و اینرسی دورانی اضافه می‌کنند و بنابراین بر بهره‌وری سوخت خودرو تأثیر می‌گذارند؛ به عبارت دیگر، موتور باید بخشی از خروجی خود را صرف چرخاندن قطعاتی کند که تنها وظیفه‌شان خنثی کردن ارتعاشاتی است که چیدمان خود موتور ایجاد کرده است. در مجموع، این مشکلی است که ریشه در خود پیکربندی V دارد. حتی موتورهای V8 بزرگ‌تر هم برای رسیدن به سطحی از نرمی مشابه خطی شش سیلندر نیاز به تعادل سازی دارند.

یک V6 سیلندرهای خود را در دو ردیف تقسیم می‌کند و این تقسیم بسیاری از قطعات مرتبط که روی موتور قرار دارند را دو برابر می‌کند. یک موتور خطی شش سیلندر تنها به یک سر سیلندر برای پوشش تمام شش سیلندر نیاز دارد، درحالی‌که به دلیل دو ردیف جداگانه، یک V6 به دو عدد از هرکدام نیاز دارد. یک V6 با دو میل بادامک در هر سر سیلندر (DOHC) حتی می‌تواند چهار میل بادامک جداگانه و تا ۲۴ سوپاپ داشته باشد، در مقابل دو میل بادامک روی یک موتور خطی شش سیلندر DOHC که همان شش سیلندر را پوشش می‌دهد. این از نظر پیچیدگی کلی تفاوت قابل‌توجهی است.

به عبارت دیگر، این یعنی دو برابر تجهیزات تایمینگ، دو برابر واشر درپوش سوپاپ، دو برابر واشر سر سیلندر و دو برابر آب‌بند میل بادامک؛ همه این‌ها در نهایت فرسوده می‌شوند و نیاز به توجه دارند. این دینامیک شبیه مقایسه موتورهای خطی با موتورهای باکسر است، جایی که دومی هم به دلیل نحوه چیدمان سیلندرها نیاز به قطعات بیشتری دارد. در زمان بازسازی، این تعداد قطعات تأثیر مستقیم مالی و پیچیدگی دارد.

به همین دلیل، بازسازی یک موتور V6 نسبت به بازسازی یک موتور خطی شش سیلندر با حجم مشابه گران‌تر است، دقیقاً به دلیل سر سیلندرها و میل بادامک‌های اضافی که این چیدمان نیاز دارد. دو سر سیلندر یعنی زمان مهندسی لازم برای اتمام یک سر سیلندر دو برابر می‌شود. علاوه بر این، میل بادامک‌های اضافی، قطعات تایمینگ و ساعات کار مونتاژ، هزینه بازسازی V6 را به‌طور قابل‌توجهی افزایش می‌دهند.

نصب توربو روی یک موتور V6 یا هر موتور دیگری با پیکربندی V، وظیفه مهندسی پیچیده‌تری نسبت به انجام همین کار روی یک خطی شش سیلندر بوده و دلیل اصلی این است که چیدمان V دو مشکل رقیب را هم‌زمان ایجاد می‌کند؛ عرض و گرما. در یک موتور توربوی دوگانه معمولی با آرایش cold-vee، یک توربو روی بیرون هر ردیف قرار می‌گیرد. در اکثر موتورهای V، منیفولد هوا در دره بین دو ردیف قرار می‌گیرد و آن را مستقیماً بالای منبع گرمای موتور قرار می‌دهد.

هوای ورودی گرم‌تر، هوایی با تراکم کمتر است و تراکم همان چیزی است که قدرت می‌سازد. در یک موتور توربوشارژ معمولی V، منیفولد هوا در معرض گرمایی قرار می‌گیرد که از موتور زیرش بالا می‌آید که دقیقاً همان شرایطی است که دمای هوای ورودی را بالا می‌برد. سیلندرها در نهایت هوایی دریافت می‌کنند که پیش از شروع احتراق از قبل گرم شده است. پیکربندی hot-vee به‌عنوان راه‌حل مستقیم برای هر دو مشکل وجود دارد که توربوها را به دره بین ردیف‌ها منتقل می‌کند و جریان گاز را برمی‌گرداند تا منیفولدهای هوا روی قسمت سردتر و بیرونی موتور قرار بگیرند.

همچنین یک خطر آتش‌سوزی در چیدمان معمولی V وجود دارد که هیچ جابجایی توربویی آن را حل نمی‌کند. با وجود انژکتورهای سوخت در هر دو طرف موتور، یک اورینگ خراب می‌تواند سوخت را مستقیماً روی منیفولد اگزوز داغ نشت دهد که خطر اشتعال ایجاد می‌کند. در مقابل، یک موتور خطی شش سیلندر با نگه داشتن هوا و اگزوز در طرف‌های مقابل یک ردیف واحد، کاملاً از آن خطر اجتناب می‌کند.

همه موتورهای V6 یکسان نیستند و یکی از تأثیرگذارترین تصمیم‌ها در طراحی آن، زاویه بین دو ردیف سیلندر است. زاویه ۶۰ درجه، پیکربندی ترجیحی برای یک V6 است، چراکه فواصل احتراق که هر ۱۲۰ درجه چرخش میل‌لنگ رخ می‌دهند، بر ۶۰ به‌طور مساوی تقسیم می‌شوند و نیروهای احتراق را متعادل نگه می‌دارند. یک V6 با زاویه ۹۰ درجه این مزیت ریاضی را ندارد و نتیجه آن فواصل احتراق نامتعادلی است که ارتعاشاتی تولید می‌کند که هندسه موتور به‌تنهایی نمی‌تواند آن‌ها را خنثی کند. V6 جگوار که روی بلوک V8 ساخته شده، نمونه واقعی این موضوع است.

پیکربندی ۹۰ درجه عمدتاً به دلایل هزینه‌ای وجود دارد، نه مهندسی. دقیقاً به همین دلیل بود که دایملر در دهه ۷۰ موتور خطی شش سیلندر را با V6 جایگزین کرد. ایده این بود که بتوان همان معماری V8 را به اشتراک گذاشت، اما این کار به قیمت کاهش نرمی انجام شد. یک V6 با زاویه ۹۰ درجه برای هموار کردن فواصل احتراق نامتعادلی که این چیدمان به‌طور ذاتی تولید می‌کند، باید تعادل سازی شود.

مرسدس در نهایت این مشکل را مستقیماً با طراحی مجدد V6 خود از پایه پذیرفت. موتور M272 آن‌ها از زاویه ۹۰ درجه استفاده می‌کرد؛ جانشین M276 آن به ۶۰ درجه تغییر کرد. بلوک موتور M276 زاویه V 60 درجه دارد که امکان حذف شفت تعادلی در طراحی را فراهم کرد درحالی‌که M272 با زاویه ۹۰ درجه به‌صراحت نقطه مقایسه بود. این که سازنده‌ای در سطح مرسدس بنز منابع لازم را صرف طراحی مجدد کامل یک خانواده موتور برای رفع مشکل زاویه ردیف کرد، همه‌چیز را درباره واقعی بودن این مشکل می‌گوید.