Motorépítő iskolák 7. rész – Az amerikai motorfilozófia – 1. rész

Észak felé tovább a CONUS – konkrétan az USA kontinentális része – felé, az amerikai motortervező gondolkodásmódot vesszük górcső alá. Ez az iskola nem az egzakt fajlagos teljesítmények, nem a sűrűn áttördelt hengerfejek és nem a kompresszióra hegyezett versenyszellemiség terepe. Olyan motoroké, amelyeket kezdetben nem mérnöki laborokban, hanem szervizcsarnokokban és országutakon teszteltek generációkon át. Ez az örökség iskolát teremtett. Tanulmányozása megkerülhetetlen.

Az amerikai motorépítő iskola sajátos, észak-amerikai kontextusban formálódott. Az Egyesült Államok hatalmas földrajzi kiterjedése, alacsony népsűrűsége és rendkívül változatos éghajlata olyan használati igényeket, azok nyomán pedig fejlesztési irányelveket hívott életre, amelyekben a karbantarthatóság, a tartósság és a megbízhatóság élvezett elsőbbséget. Az olcsó tüzelőanyagárak miatt soha nem volt nyomás a kis köbcentis, gazdaságos motorok fejlesztésére, így a nagy lökettérfogatú erőforrások kultúrája háborítatlanul fejlődött – gyakran V6, V8, sőt V10 formában. A környezetvédelmi szabályozás is sokáig lazább volt, így a mérnökök a technikai egyszerűség és robusztusság felé mozdultak el, nem pedig a hatásfoknövelés vagy emissziócsökkentés komplex útvonalai felé.

A tipikus amerikai motor többnyire V- elrendezésű, OHV vezérlésű, kevés szeleppel és alacsony fordulatszám-tartománnyal dolgozik, de már alapjáraton is nagy nyomatékot biztosít. Ez nemcsak a vontatáshoz, hanem a hosszú, egyenes országutakon való kényelmes haladáshoz is ideális karakterisztika. A motorblokkok felépítése gyakran túlméretezett, szándékosan egyszerű, ami lehetővé teszi, hogy még kisebb műhelyekben, vidéki környezetben (istállóban, ranchon) is javíthatóak legyenek.

Igen, erről egyből eszünkbe jut az orosz iskola, de míg az orosz motortervezési iskola a szélsőséges időjárási és infrastrukturális körülmények között való túlélésre fókuszál, ahol a motoroknak bármilyen minőségű tüzelőanyaggal, gyakran infrastruktúra nélküli környezetben is működniük kell, addig az amerikai iskola a fejlett logisztikai háttérre, az olaj- és autóipari tömegtermelésre, valamint az alkatrészellátás sűrű hálózatára épít. Ennek megfelelően az amerikai motorok az erőforrás túlméretezésében, a könnyen cserélhető fődarabokban és a nyomatékos, hosszú élettartamú karakterisztikában testesítik meg saját filozófiájukat – két iskola, amely eltérő gazdasági, földrajzi és haditechnikai adottságokra adott erős áthallásokkal rendelkező, de mégis különböző mérnöki válaszokat.

Mitől mindenáron csak a V ?

Az Egyesült Államok már a 20. század elejétől következetesen a V-elrendezésű motorok – különösen a V8-asok – felé orientálódott, amelynek hátterében technológiai, gyártástechnikai, közlekedéskultúra- és fogyasztói preferenciaalapú okok húzódtak. A V-motorok, különösen a V8-asok, rövidebb, mint azonos hengerszámú soros társaik, így kompaktabb blokkokkal jobban illeszkedtek az amerikai autókra jellemző széles, hosszú motorterekbe, különösen a hátsókerék-hajtású (RWD) architektúrákba. Emellett a V-elrendezés egyszerűbbé tette a főtengely és a kardántengely közötti kapcsolatot, csökkentve a hajtáslánc veszteségeit, ami ideálissá tette ezt az elrendezést pickupokhoz, nagyméretű szedánokhoz és izomautókhoz.

Az amerikai autóiparban a soros és boxer elrendezésű motorok csak ritka kivételként jelentek meg. A soros motorokat főként korai tömegmodellekben (pl. Ford Model T), teherautókban (pl. Ford 300 I6) és terepjárókban (pl. Jeep 4.0L I6) alkalmazták megbízhatóságuk és nyomatékuk miatt, de nem váltak uralkodóvá. Boxer motort szinte kizárólag a Franklin Motor Company és a Chevrolet Corvair használt, utóbbi az egyetlen széles körben gyártott amerikai autóként ezzel a konstrukcióval.

(GM 1955 small-block V8)

A V-motorok amerikai felülkerekedésének konkrét oka az volt, hogy a V8-as motorok egyszerre kínáltak nagy teljesítményt, megbízhatóságot és olcsó, nagyszériás gyárthatóságot, miközben sem technológiai, sem gazdasági akadály nem korlátozta az elterjedésüket. A döntő fordulópontot a General Motors 1955-ben bemutatott small-block V8-as motorja jelentette: ez a kompakt, viszonylag könnyű és olcsón gyártható konstrukció rendkívül jó ár–teljesítmény arányt kínált, és a következő évtizedekben tömegével került be szinte minden GM-modellbe. Mivel az USA-ban nem volt teljesítmény- vagy hengerűrtartalom-alapú gépjárműadó, a benzin pedig olcsó volt, semmi sem ösztönözte a gyártókat vagy a vásárlókat kisebb, takarékosabb motorokra való áttérésre. A tágas, hátsókerekes platformokat pedig egyszerűbb volt V8-assal szerelni, így technológiai és gazdaságossági szempontból is optimális megoldásnak bizonyult. Ráadásul az amerikai gyártók a platformalapú, hosszú életciklusú modellekben gondolkodtak, ahol egy egyszer bejáratott motorkonstrukció évtizedeken keresztül használható maradhatott, jelentős megtakarítást eredményezve.

Ehhez társult a sajátos amerikai közlekedési infrastruktúra: hosszú, széles utak, ahol nem volt szükség kompakt, fordulékony európai járműfilozófiára. Mindez összeolvadt azzal a kulturális és érzelmi töltettel, amely a V8-at az amerikai életérzés jelképévé tette – a hot rod mozgalomtól a muscle car korszakon át a pickup mítoszokig. A V8-as morajlás a szabadság, az erő és az amerikai álom akusztikus megtestesítője lett, amely – még a mai turbós négyhengeresek és hibrid rendszerek világában is – mitikus helyet foglal el az Egyesült Államok járműtechnológiai tudatalattijában.

A változások a 2000-es évek elejétől gyorsultak fel: a szigorodó emissziós előírások (pl. Tier II, EPA 2004/2007/2010 szabályozás), a flottafogyasztási célértékek (CAFE), valamint a globalizált ellátási lánc hatására megjelentek a DOHC vezérlésű, változó szelepvezérlésű, direkt befecskendezésű, turbófeltöltéses erőforrások. A GM EcoTec3 V6 és V8 motorjai például már közvetlen befecskendezéssel, változó szelepvezérléssel (VVT), aktív hengerlekapcsolással (AFM/DFM), valamint start-stop rendszerrel működnek, miközben megőrzik a 4.3–6.2 literes lökettérfogat-tartományt. A Ford EcoBoost sorozat (pl. 2.3L I4, 3.5L V6) már globális platformokra fejlesztett, turbófeltöltött, DOHC GDI motorcsalád, amelyet személyautókba és pickupokba egyaránt beépítenek, akár 420 Nm nyomatékot biztosítva 2000–3000 1/min fordulatszámon. A fejlesztések iránya tehát a fajlagos emisszió és fajlagos fogyasztás csökkentése, miközben a karakterisztika továbbra is nyomatékos marad. A klasszikus V8-asok ugyanakkor tovább élnek: a Chrysler HEMI, GM Gen V small-block és Ford Coyote motorcsaládok továbbra is OHV vagy SOHC szerkezetűek, és a pickup-piac zömét még mindig ezek az erőforrások hajtják.

És akkor a példamotorok hosszú sora:

Az első: a Ford Flathead V8 (1932) “Elérhető teljesítmény tömegeknek.” (Henry Ford)

 
(Ford Flathead: Old Timer rendezvények és a Hot Rod fanatikusok kedvence)

A Ford Flathead V8, más néven L-head vagy oldal-szelepelt V8, 1932-től 1953-ig volt gyártásban, és ez volt a világ első tömeggyártású V8-as motorja, amely a Model 18-ban debütált. Az erőforrás technológiai különlegessége abban állt, hogy a komplett hengerblokkot, a főtengely-házat és az olajteknőt egyetlen öntöttvas monoblokként öntötték, ami egyszerűbb gyártást, kisebb tömítési veszélyeket és nagyobb szerkezeti merevséget eredményezett. A szelepvezérlés oldalt-vezérelt megoldás volt, ami ugyan gátolta a szívó- és kipufogógázok áramlását, de egyszerűbbé, megbízhatóbbá és olcsóbbá tette a konstrukciót – tökéletesen illeszkedve Henry Ford puritán megoldásokra alapozott stratégiájához.

A motort kovácsolt acél főtengely, három főtengely-csapágy, szíjhajtásos kiegészítők és viszonylag alacsony sűrítési arány (kompresszió) jellemezte. A Flathead-et három fő fejlesztési szakaszban gyártották: az első volt a 21 csavaros hengerfejjel szerelt 221–239 köbhüvelykes (3,62–3,92 literes) változat 1932-től, amely 65–90 lóerős teljesítményt adott; ezt követte a 24 csavaros fejű változat 1938-tól, megerősített rögzítéssel és akár 255 köbhüvelykes (4,18 literes) hengerűrtartalommal; végül a "nagyblokkos" változatok 1948 után, 337 köbhüvelykes (5,52 literes) méretben, főként Lincoln gépkocsik és teherautók aggregátjaként került használatba. A motor egyszerűsége, megbízhatósága és alacsony fordulatszám-tartományban leadott nyomatéka miatt kiválóan alkalmazható volt haszonjárművekben, hot rodokban és tuninggépekben is – különösen népszerűvé vált kompresszoros és duplakarburátoros változatokkal. A Flathead utódai közé tartozott a Y-block V8 (1954–1963), amely áttért az OHV (overhead valve – felülszelepelt) konstrukcióra, de még mindig nehéz volt és gyártási kihívásokat jelentett.

Ford 5.0L Coyote V8 és “ősapái” a Ford Windsor blokkok

    
(Egykori és már a Blue Print általi Windsor motorok)

Az igazi paradigmaváltást a Windsor small-block család (1962–2001) hozta el: ez a sorozat 221, 260, 289, 302 és 351 köbhüvelykes (1 köbhüvelyk = 16,387064 köbcentiméter - cm³) változatokat hozott és meghatározóvá vált az amerikai autóiparban, különösen a Mustang és F-150 modellek révén.

A Windsor small-block V8 motorcsalád (1962–2001) az amerikai autóipar egyik legikonikusabb erőforrás-csoportja volt, amelynek változatai a Ford Mustang, Fairlane, Mercury, valamint az F-150 pickupok meghatározó hajtásláncát alkották. Az 1962-es 221 ci (3,6 liter) volt az első valódi Ford small-block V8, vékonyfalú öntöttvas blokkal, OHV (tolórudas) szelepvezérléssel és egytorkú karburátorral, ami kb. 145–160 lóerős teljesítményt biztosított, főleg a Fairlane modellekben. Ezt követte az 1963-ban bevezetett 260 ci (4,3 liter), nagyobb lökettel és megerősített blokkfelépítéssel, ami már 165–170 lóerős teljesítményre volt képes, és gyakran jelent meg sportosabb változatokban, például a korai Mustangban. Az 1965-től elérhető 289 ci (4,7 liter) verzió már komolyabb teljesítményt és tuningpotenciált kínált: a „Hi-Po” (High Performance) változat 271 lóerőt is tudott, dupla karburátorral, magas sűrítési aránnyal és robusztusabb főtengellyel – ez lett a klasszikus Mustang egyik legendás motorja. A család legismertebb tagja, az 1968-tól gyártott 302 ci (5,0 liter) Windsor V8, gyárilag is többféle teljesítményszinten készült (EFI-vel vagy karburátorral), és tuningkészsége miatt a 300–320 lóerős határ sem volt elérhetetlen.

Az összes változatra jellemző az egyszerűen szerelhető OHV architektúra, az öntöttvas blokk és a tipikusan amerikai megbízhatósági filozófia. A Windsor-motorok tehát az amerikai V8 kultúra alappilléreivé váltak: egyszerű, tartós, könnyen javítható, és kiváló tuningalap – igazi előfutárai a modern Coyote V8-nak.

A Windsor motorcsalád modernizált változatai már hengerenkénti befecskendezéssel (EFI) és görgős vezérműtengellyel is készültek, majd 2001-től a Ford Modular V8-ok vették át a helyüket.

(Roush Performance tuningolt 2011 Ford Coyote V8 kompresszoros feltöltéssel)

A 2011-ben debütált Ford Coyote azóta is a legnagyobb teljesítményű V8‑as motorok új generációját képviseli. Az alumínium blokkos, DOHC kialakítású motor lökettérfogata 5,0 l, furat/löket aránya 92,2 × 92,7 mm, gyakorlatilag „négyzetes” karakterisztikájú “kockamotor”. A Twin Independent Variable Cam Timing (Ti‑VCT) vezérlés lehetővé teszi a szelepvezérlés rugalmas időzítését, optimalizálva a teljesítményt, a nyomatékot és az tüzelőanyag‑fogyasztást. Az első generációs Mustang Coyote 412–420 lóerőt és 390 lb‑ft (kb. 528 Nm) nyomatékot produkált, 7000 fordulat/percnél elérhető piros vonallal. Az F‑150‑es változat is hasonló paraméterekkel érkezett, de Flex‑Fuel lehetőséggel is rendelkezett. A motor mérete illeszkedett a korábbi Modular motorokhoz, így a meglévő gyártósori infrastruktúra is kihasználható maradt.

A Coyote nemcsak modern technikával, hanem amerikai logikával is épül: a segédberendezések, mint a generátor, a szíjhajtásos komponensek és a légszűrődoboz, jól hozzáférhetően, a motor elején kaptak helyet – hasonlóan a korábbi OHV amerikai V8‑as motorokhoz.

A csatolt képen látható Roush Performance által tuningolt Ford V8-as, amely a crate engine (ládamotor) amerikai kultúrájához és a kompresszoros izomautó-filozófiához kapcsolódik. A képen jól megfigyelhető egy Roots-típusú mechanikus kompresszor a motor tetején, amely nagy nyomatékot biztosít már alacsony fordulattól. A dupla pillangószelep (twin throttle body) gyors gázreakciót és becsülhetően 2000 CFM környéki légátáramlást tesz lehetővé, jellemzően nagy teljesítményű izomautókhoz.

A CFM (cubic feet per minute, vagyis köbláb/perc) azt mutatja meg, hogy egy pillangószelep percenként mennyi levegőt képes átengedni a motor felé. 1 CFM nagyjából 28,3 liter levegőt jelent percenként. Így egy tipikus, nagy átmérőjű, például 87 mm-es throttle body körülbelül 1200–1300 CFM légáramlást biztosít, ami 33 980–36 800 liter/perc levegőnek felel meg. Ez a hatalmas mennyiség lehetővé teszi, hogy a motorba több üzemanyag is jusson – és minél több levegő-üzemanyag keverék kerül az égéstérbe, annál nagyobb lehet az elérhető teljesítmény. Ha két ilyen pillangószelepet alkalmaznak párhuzamosan, az összesített légáramlás 2000 CFM fölé nőhet, ami akár 56 000 liter levegőt is jelent percenként – ez már elegendő egy 1000 lóerő feletti, nagy teljesítményű V8-as izomautó motorhoz. Összehasonlításként: egy normál európai konszolidált polgári autó 1,6 literes motorja teljesen kitartott gázpedálnál 200 CFM mennyiséggel gazdálkodik. (a Szerk.)

A serpentine-szíj rendszer – egyetlen hosszú szíj, amely az összes segédberendezést hajtja – szintén amerikai racionalitást tükröz: egyszerűség, megbízhatóság, könnyű karbantartás. A hideglevegős oldalra szerelt beömlő és a masszív öntvény alkatrészek azt jelzik, hogy a cél nem a súlycsökkentés, hanem a strapa és a teljesítmény. A motorfelépítés láthatóan a Ford 5.0 vagy 5.4 literes DOHC V8-as Modular vagy Coyote blokkjára épül, és a Roush által telepített kompresszorral 600–750+ lóerő is elérhető. Ilyen motorokat általában 91–93 oktánszámú tüzelőanyagra tervezik, és az amerikai drag race, street performance, valamint izomautó-építési kultúra részeként kínálnak akár előre beállított, vezérlőegységgel és kábelezéssel szerelt „crate engine” formában.

3.8 literes V6-os Buick „Fireball V6” (60’) és örököse a General Motors 3800 Series II (L36)

Visszalépve kicsit az időben az amerikai motorépítő iskola klasszikus V6-os példája, a Buick „Fireball” V6 (1962–), mérnöki szempontból forradalmi volt. A kezdeti 3.2 l (198 cid) változat a Buick 215-ös alumínium V8-as rövidített, két hengerrel csökkentett változata – 90°-os V-elrendezéssel és OHV szelepvezérléssel, öntöttvas blokk‑ és hengerfej‑kivitelben. A „Fireball” név a hengerfej konstrukciójára utalt – nem agresszív teljesítményre – hanem arra a stabil, jó keverékképzésre, amihez a henger- és égésterek alakja járult hozzá A tervezői megoldások közé tartozott a részben kiegyensúlyozatlan, úgynevezett “odd-fire” gyújtási ciklus (90°–150° eltéréssel), amit puha motortartók kompenzáltak a vibráció csökkentésére. Később – 1963-tól – a lökettérfogat 3.7 l-re (225 cid) nőtt, a hengerfurat a 300 cid V8-akéhoz igazodott, jobb nyomatékot és jobban kiegyensúlyozott működést eredményezve. 1966-ban Kaiser‑Jeep felvásárolta, „Dauntless V6” néven alkalmazva terepjárókban is.

(3.8 literes V6-os Buick „Fireball V6” - 60’)

“Odd-fire firing order”: nem azért volt jó, mert előnyös, hanem mert ez volt a kompromisszum, amit a Buick eredeti „Fireball” V6 motorjának létrehozásakor vállaltak. Az „odd-fire” gyújtási sorrend alkalmazása a Buick eredeti V6-os „Fireball” motorjánál nem előnyként, hanem kényszerű kompromisszumként jelent meg, mivel a konstrukció egy meglévő 90°-os V8-as motor architektúrájára épült, melyből egyszerűen „levágtak” két hengert. Az így létrejövő motorban a szabálytalan, 90° és 150° közötti gyújtási szünetek miatt az égési impulzusok nem egyenletesen oszlottak el, ami számos technikai következménnyel járt. A legszembetűnőbb ezek közül a vibráció volt: az alacsonyfrekvenciás rezgések különösen alapjáraton és kis fordulaton váltak zavaróvá, ami NVH (Noise, Vibration, Harshness) problémákhoz vezetett. Ezen felül a kiegyensúlyozatlanság miatt a forgattyús tengely és a motorblokk aszimmetrikus terhelése extra figyelmet igényelt a motorágyazás és rezgéscsillapítás megoldásánál. Bár a konstrukció nyomatékos és viszonylag erős volt a kategóriájához képest, a motor járása ennek ellenére „traktoros”, nyers karakterű maradt, különösen egy szimmetrikus soros hathengereshez vagy egy 60°-os V6-hoz viszonyítva. A Buick mérnökei számára ez a konfiguráció nem előnyt, hanem gyors és olcsó megoldást jelentett, amely lehetővé tette egy új motorcsalád bevezetését a meglévő gyártási infrastruktúra újrafelhasználásával. A hetvenes években, amikor a General Motors újra piacra vitte a V6-os motorokat (pl. a Chevy Monza és a Buick Skyhawk modellekhez), már áttértek az „even-fire” konfigurációra, amely külön főtengelykiképzést és gyújtáselosztást igényelt, de lehetővé tette a szimmetrikus, 120°-os gyújtásközök megvalósítását. Ez jelentősen javította a járáskultúrát, és a konstrukció közelebb került a korszerű motorok elvárt komfortszintjéhez, miközben a költséghatékonyság másodlagossá vált a piaci igények kielégítésével szemben.(a Szerk.)

A fenti képen látható amerikai jellegzetességek: a motor tetején klasszikus, kör alakú légszűrőház látható, amely alatt egy egyszerű, egytorkú, „downdraft” karburátor található – az USA-ban ez volt az iparági sztenderd a mechanikus befecskendezés elterjedése előtt. Az elosztós gyújtásmechanika vákuumos előgyújtás-állítással dolgozott, a megszakítóval és rotortárcsával felszerelt rendszer még teljes mértékben mechanikus karbantartást igényelt. A képen jól látható az ékszíjhajtású generátor, vízpumpa és hűtőventilátor is, ami szintén a kor amerikai autóipari gyakorlatát tükrözi – egyszerű, robusztus, és könnyen javítható megoldás volt. A hengerenként külön induló öntöttvas kipufogócsonkok, valamint a nagy méretű, szögletes szelepdeklik is a masszív felépítésre utalnak. Ez tette alkalmassá olcsó, vidéki modellekbe, taxis flottákba és az amerikai átlagpolgár megbízható közlekedési eszközévé.

A „Fireball” örököse a későbbi GM 3800 Series II (L36) motorhoz, amely 1995 és 2005 között vált meghatározóvá.  A képen a General Motors 3800 Series II L36 típusú, 3,8 literes V6-os motorja látható, amely 2002-ben többek között a Pontiac Firebird és a Chevrolet Camaro modelljeiben is megtalálható volt. Ez a konstrukció az amerikai autógyártás egyik legismertebb, legtartósabb és legszélesebb körben alkalmazott V6-os motorcsaládjának csúcspontját képviseli, miközben jól tükrözi a GM mérnöki szemléletének konzervatív, ugyanakkor racionális vonásait. A motorblokk továbbra is öntöttvasból készült, ami kiváló mechanikai stabilitást és hosszú élettartamot biztosított, míg a hengerfejek már alumíniumból készültek, a hőháztartás javítása és a tömegcsökkentés érdekében.

A szívósor műanyagból van, amely súly- és költségcsökkentési céllal került bevezetésre, de idővel hőterhelés miatti repedésekre hajlamosnak bizonyult, ami a tömeggyártás egyik jellegzetes kompromisszumos következménye. A motor már elosztó nélküli gyújtásrendszert (DIS – Distributorless Ignition System) használ, három páros gyújtótrafóval és waste-spark logikával, amely karbantartásmentes működést biztosít. Az L36 megtartotta a klasszikus tolórudas (OHV) szelepműködtetést, ami az amerikai autóiparban továbbra is népszerű volt a kompakt méret, az egyszerű gyártás, a magas alacsonyfrekvenciás nyomaték és a szerelhetőség miatt. A motor segédberendezéseit egyetlen, több-bordás poli-V szíj hajtja, ami csökkenti a szervizköltséget, és gyors, egyszerű karbantartást tesz lehetővé – ezt különösen értékelik a házi szerelők és a független műhelyek. Az olajszűrő és más szervizelemek jól hozzáférhető pozícióban helyezkednek el, követve az amerikai autóhasználati filozófiát, amely a nagy távolságokat, olcsó fenntarthatóságot és hosszú élettartamot helyezi előtérbe.

Összességében ez a motor az egyik utolsó „régi iskola” szerint épült amerikai V6-os: nem a legmodernebb technológiát képviseli, de megbízható, nagy nyomatékot ad, jól javítható, és milliószámra bizonyított a középkategóriás autóktól a sportkupékig.

Az L36-hoz készült supercharged változat (L67) már Eaton M90-kompresszorral 240 LE/280 lb‑ft teljesítményt adott, ami tuningplatformként is elterjedtté tette. Emellett az L32 (Series III) 260 LE-t és 280 lb‑ft nyomatékot hozott modernizált alumínium befecskendezővel. Az L36 és örökösei körülbelül 20 millió példányban készültek, és a Ward’s 10 Best Engines of the 20th Century listájára is felkerültek.

És még messze nincs vége!

Folytatjuk!

Forrás: autohistorypreservationsociety.org, slashgear.com, hotrod.com, novak-adapt.com, vanpeltsales.com, slashgear.com, onallcylinders.com, corvettestory.com, amklassiek.nl, Hagerty, Circuit Jason Baker,