موتور ۱LR-GUE V۱۰ لکسوس LFA یکی از همین نمونه‌هاست؛ پیشرانه‌ای که حاصل همکاری مهندسان لکسوس و یاماها بوده و به‌دلیل طراحی منحصربه‌فرد، واکنش سریع و توانایی دورگیری فوق‌العاده، یکی از پیشرفته‌ترین موتورهای تنفس‌طبیعی تولیدشده در جهان محسوب می‌شود. لکسوس برای توسعه LFA بیش از یک دهه زمان صرف کرد. پروژه‌ای که ابتدا با موتور ۸ سیلندر وی-شکل آغاز شد، اما مهندسان به این نتیجه رسیدند که برای دستیابی به شخصیت یک سوپراسپرت واقعی، نیاز به یک موتور کوچک‌تر، سبک‌تر و سریع‌تر دارند. نتیجه این تصمیم، یک موتور ۱۰ سیلندر با حجم ۴.۸ لیتر بود که نه‌تنها از نظر قدرت، بلکه از نظر سرعت پاسخ‌دهی با موتورهای مسابقه‌ای رقابت می‌کرد. بر این اساس در ادامه نگاه تخصصی و فنی به این شاهکار سامورایی خواهیم انداخت.

طراحی موتور ۱LR-GUE؛ کوچک‌ترین V۱۰ با بزرگ‌ترین شخصیت

موتور لکسوس LFA دارای آرایش با زاویه ۷۲ درجه است. انتخاب این زاویه باعث شد تعادل دینامیکی موتور بهبود پیدا کند و مهندسان بتوانند ابعاد پیشرانه را کاهش دهند. یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های ساخت موتور V۱۰، کنترل لرزش‌های ناشی از تعداد فرد سیلندرهاست؛ اما لکسوس با استفاده از طراحی دقیق میل‌لنگ، بالانس شفت‌ها و تنظیم دقیق احتراق، عملکردی بسیار نرم ایجاد کرد. این موتور به‌صورت جلو نصب شده و در پشت محور جلو Front Mid-Engine قرار گرفته است تا توزیع وزن خودرو بهینه شود. قرارگیری موتور نزدیک مرکز خودرو باعث شد LFA به توزیع وزن تقریبی ۴۸ درصد جلو و ۵۲ درصد عقب دست پیدا کند. یکی از ویژگی‌های مهم این پیشرانه، ابعاد بسیار کوچک آن نسبت به حجم و تعداد سیلندرهاست. مهندسان لکسوس اعلام کردند که طول موتور V۱۰ این خودرو تقریبا مشابه یک موتور V۶ معمولی است؛ موضوعی که امکان طراحی کاپوت پایین و آیرودینامیک‌تر را فراهم کرد.

استفاده گسترده از متریال سبک؛ فلسفه کاهش جرم

یکی از مهم‌ترین اهداف در طراحی موتور LFA، کاهش وزن بود. لکسوس برای رسیدن به این هدف از ترکیبی از مواد پیشرفته استفاده کرد. بلوک موتور از آلومینیوم سبک‌وزن ساخته شده است تا ضمن حفظ استحکام، وزن کلی کاهش یابد. سرسیلندرها نیز از آلومینیوم تولید شده‌اند و قطعات داخلی موتور مانند شاتون‌ها، سوپاپ‌ها، قطعات متحرک تایمینگ با استفاده از مواد سبک و مقاوم طراحی شده‌اند.

در برخی قطعات داخلی از تیتانیوم استفاده شده است. سوپاپ‌های تیتانیومی یکی از مهم‌ترین بخش‌های این موتور هستند؛ زیرا امکان افزایش دورموتور بدون افزایش جرم متحرک را فراهم می‌کنند. میل‌لنگ موتور نیز با فرآیند مهندسی دقیق ساخته شده تا علاوه‌بر تحمل دورهای بالا، وزن چرخشی کمی داشته باشد. کاهش جرم قطعات متحرک باعث شده موتور LFA بتواند با سرعت بسیار بالا به‌محدوده قرمز دورموتور برسد.

مشخصات پایه موتور؛ حجم، قطر سیلندر و کورس پیستون

موتور ۱LR-GUE با مشخصاتی مانند حجم موتور: ۴۸۰۵ سی‌سی، تعداد سیلندر: ۱۰ سیلندر، آرایش: V۱۰ با زاویه ۷۲ درجه، قطر سیلندر Bore۸۸ میلی‌متر، کورس پیستونStroke ۷۹ میلی‌متر، نسبت تراکم ۱۲ به یک و ترکیب قطر سیلندر بزرگ‌تر نسبت به کورس پیستون ماهیت دور بالا را به‌خوبی حفظ کرده است.

درواقع طراحی آن به موتورهای مسابقه‌ای نزدیک است؛ زیرا کورس کوتاه‌تر، اصطکاک کمتر و قابلیت دورگیری بالاتر ایجاد می‌کند. این موتور می‌تواند تا حدود ۹۰۰۰ آرپی‎ام (دور در دقیقه) افزایش دور داشته باشد؛ عددی که برای یک موتور جاده‌ای تولید انبوه، حتی در کلاس سوپراسپرت‌ها، بسیار چشمگیر است. یکی از مهم‌ترین دلایل عملکرد استثنایی موتور ۱LR-GUE لکسوس LFA، طراحی بسیار پیشرفته سیستم سوپاپ و سرسیلندر آن است.

این موتور از یک ساختار DOHC (دو میل‌سوپاپ در هر سرسیلندر) بهره می‌برد؛ یعنی برای هر ردیف از سیلندرها، یک میل‌سوپاپ مجزا برای کنترل سوپاپ‌های ورودی و خروجی وجود دارد. درمجموع این موتور دارای ۴۰ سوپاپ است؛ یعنی برای هر سیلندر چهار سوپاپ شامل دو سوپاپ ورودی و دو سوپاپ خروجی. این آرایش باعث افزایش جریان ورود مخلوط هوا و سوخت و همچنین خروج سریع‌تر گازهای حاصل از احتراق می‌شود.

نتیجه این طراحی، افزایش راندمان حجمی موتور و توانایی تولید قدرت بالا در دورهای بسیار زیاد است. مهندسان لکسوس برای کاهش جرم قطعات متحرک از سوپاپ‌های تیتانیومی استفاده کردند. وزن پایین این سوپاپ‌ها اجازه می‌دهد موتور در دورهای نزدیک به ۹۰۰۰ دور بر دقیقه همچنان عملکرد دقیق و بدون اختلال داشته باشد. در موتورهای دوربالا، جرم سوپاپ‌ها اهمیت بسیار زیادی دارد، زیرا افزایش وزن قطعات متحرک می‌تواند باعث پدیده‌ای به نام Valve Float یا شناوری سوپاپ شود که در دورهای بالا موجب کاهش عملکرد موتور خواهد شد.

فناوری Dual VVT-i؛ کنترل هوشمند زمان‌بندی سوپاپ‌ها

موتور LFA مجهز به فناوری Dual VVT-i (Dual Variable Valve Timing-intelligent) لکسوس است. این سیستم امکان تغییر زمان باز و بسته شدن سوپاپ‌های ورودی و خروجی را براساس شرایط کاری موتور فراهم می‌کند.

در دورهای پایین، سیستم تایمینگ متغیر باعث افزایش گشتاور و عملکرد نرم‌تر موتور می‌شود؛ اما با افزایش دورموتور، زمان‌بندی سوپاپ‌ها تغییر می‌کند تا جریان هوا در بیشترین حالت ممکن قرار گیرد. این فناوری در کنار طراحی تنفس طبیعی موتور باعث شده است که پیشرانه LFA بدون استفاده از توربوشارژر بتواند قدرت بسیار بالایی تولید کند. یکی از ویژگی‌های خاص موتور ۱LR-GUE، سیستم ورودی هوای آن است.

مهندسان یاماها در توسعه بخش تنفس موتور نقش مهمی داشتند و طراحی مسیرهای ورودی هوا با هدف کاهش محدودیت جریان انجام شد.

هر سیلندر دارای مسیر هوای دقیق و بهینه‌شده است تا جریان هوا با کمترین مقاومت وارد محفظه احتراق شود. همچنین طراحی منیفولد ورودی باعث شده پاسخ موتور به فشار پدال گاز بسیار سریع باشد. برخلاف موتورهای توربوشارژ که برای افزایش قدرت به فشار هوای اضافی نیاز دارند، موتور LFA تمام قدرت خود را از طریق طراحی دقیق احتراق، دور بالا و تنفس طبیعی به‌دست می‌آورد.

قدرت و گشتاور بر حسب دیاگرام

سیستم سوخت‌رسانی؛ ترکیب تزریق مستقیم و چندنقطه‌ای لکسوس برای موتور LFA از سیستم ترکیبی D-۴S استفاده کرد.

این فناوری که در بسیاری از موتورهای پیشرفته تویوتا و لکسوس دیده می‌شود، ترکیبی از: تزریق مستقیم سوخت داخل سیلندر و تزریق چندنقطه‌ای در مسیر ورودی هواست. این سیستم در شرایط مختلف رانندگی، بهترین روش تزریق را انتخاب می‌کند. نتیجه آن، احتراق دقیق‌تر، کاهش مصرف سوخت و افزایش بازده موتور است. بر این اساس توان و گشتاور موتور ۱LR-GUE براساس دیاگرام توان و گشتاور برحسب دور موتور می‎تواند با رسیدن به دور ۸۷۰۰ آرپی‎ام (دور در دقیقه) حداکثر ۵۶۰ اسب‎بخار قدرت را در اختیار راننده بگذارد.

نکته مهم این است که تا رسیدن به دور ۸۷۰۰ آرپی‎ام شاهد افزایش توان به صورت صعودی هستیم؛ اما از آن‌جا که رد لاین (حداکثر سرعت موتور) ۹۰۰۰ آرپی‎ام است، به محض رسیدن به این دور توان از ۵۶۰ به ۴۸۰ و به پایین‎تر کاهش یافته و یک شیب نزولی پیدا می‎کند. اما گشتاور ۴۸۰ نیوتون‎متر را به محض فشردن پدال گاز تا رسیدن به ۵۰۰۰ آرپی‎ام (دور در دقیقه) روند نسبتا خطی داشته و به‌محض رسیدن به دور ۴۰۰۰ تا ۵۰۰۰ آرپی‎ام به یک‌باره افزایش یافته و در لحظه ۴۸۰ نیوتون‎متر گشتاور را به‌راننده هدیه می‎دهد.

اما ویژگی مهم این موتور، نحوه تولید قدرت است. برخلاف موتورهای توربوشارژ که معمولا در دورهای پایین گشتاور زیادی ارائه می‌کنند، موتور LFA برای رانندگی هیجان‌انگیز در دورهای بالا طراحی شده است.

منحنی عملکرد تقریبی این موتور نشان می‌دهد زیر ۳۰۰۰ دور در دقیقه، تمرکز روی نرمی و کنترل‌پذیری حدود ۴۰۰۰ تا ۶۰۰۰ دور در دقیقه؛ افزایش سریع گشتاور اما بالای ۷۰۰۰ دور در دقیقه؛ ورود به منطقه اصلی تولید قدرت است و با نزدیک شدن به ۸۷۰۰ دور در دقیقه: دستیابی به بیشترین توان این رفتار باعث شده راننده برای استخراج تمام توان موتور، آن را تا محدوده قرمز دورموتور افزایش دهد؛ تجربه‌ای مشابه موتورهای مسابقه‌ای.

واکنش دریچه‌گاز؛ سرعت پاسخ در حد موتورهای مسابقه

یکی از مشهورترین ویژگی‌های موتور LFA، سرعت واکنش آن است. لکسوس اعلام کرده بود که موتور این خودرو تقریبا در ۰.۶ ثانیه می‌تواند از حالت آرام به دور قرمز برسد. برای رسیدن به این سرعت پاسخ، مهندسان از قطعات سبک، فلایویل کم‌جرم و سیستم کنترل الکترونیکی دقیق استفاده کردند.

همین ویژگی باعث شد صدای موتور LFA نیز شخصیت خاصی داشته باشد؛ صدایی که با افزایش دور، از یک غرش عمیق به صدایی نزدیک به موتورهای مسابقه‌ای فرمول‌یک تبدیل می‌شود. یکی از بخش‌های جذاب تاریخ موتور LFA، همکاری نزدیک لکسوس با شرکت یاماهاست.

یاماها در توسعه بخش‌هایی از سرسیلندر، سیستم تنفس و کیفیت صدای موتور نقش داشت. مهندسان یاماها که تجربه طولانی در ساخت موتورهای مسابقه‌ای و سازهای موسیقی داشتند، روی شخصیت صوتی موتور نیز کار کردند.

نتیجه صدایی بود که بسیاری از کارشناسان آن را یکی از بهترین صداهای تولیدشده توسط یک موتور V۱۰ می‌دانند. لکسوس حتی برای انتقال این تجربه صوتی به کابین، از یک سیستم انتقال صدای مهندسی‌شده استفاده کرد تا راننده بتواند ارتباط بیشتری با موتور داشته باشد.

سیستم خنک‌کاری؛ کنترل دما در یک موتور دوربالا

یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در ساخت یک موتور V۱۰ تنفس‌طبیعی با دورموتور نزدیک به ۹۰۰۰ دور بر دقیقه، مدیریت حرارت تولیدشده در شرایط فشار بالاست. موتور ۱LR-GUE لکسوس LFA به‌دلیل توان بالا و طراحی فشرده، نیازمند یک سیستم خنک‌کاری بسیار دقیق بود تا دمای قطعات حیاتی مانند سرسیلندر، بلوک موتور و محفظه احتراق در محدوده ایده‌آل باقی بماند.

لکسوس برای این موتور از یک سیستم خنک‌کاری با طراحی اختصاصی استفاده کرد که شامل مسیرهای دقیق گردش مایع خنک‌کننده در اطراف سیلندرها و سرسیلندرهاست. مهندسان تلاش کردند جریان مایع خنک‌کننده در نقاطی که بیشترین حرارت تولید می‌شود، بیشترین تاثیر را داشته باشد.

رادیاتورهای خودرو نیز با هدف افزایش راندمان حرارتی طراحی شده‌اند. در یک موتور تنفس‌طبیعی با توان بالا، کنترل دما اهمیت زیادی دارد؛ زیرا افزایش بیش از حد دما می‌تواند باعث کاهش راندمان احتراق، افزایش سایش قطعات و کاهش عمر موتور شود. همچنین طراحی بخش جلویی خودرو و مسیر عبور هوا، نقش مهمی در خنک‌کاری موتور و مجموعه‌های مکانیکی دارد.

ورودی‌های هوای بزرگ در سپر و طراحی آیرودینامیک بدنه، علاوه‌بر افزایش پایداری خودرو، به‌مدیریت جریان هوا برای خنک‌سازی کمک می‌کنند. یکی دیگر از فناوری‌های مهم موتور LFA، استفاده از سیستم Dry Sump یا روغن‌کاری کارتل خشک است. این فناوری معمولا در خودروهای مسابقه‌ای و سوپراسپرت‌ها استفاده می‌شود.