Układy silników: rzędowe, widlaste i bokserskie

Na początku XX wieku, gdy inżynieria samochodowa rozwijała się w błyskawicznym tempie, silnik o pojemności 10 litrów mógł być zarówno jednostką jednocylindrową, jak i – powiedzmy – rzędowym ośmiocylindrowcem. Nikomu wówczas nie mrugnęło oko na widok rzędowej szóstki o pojemności 23 litrów czy siedmiocylindrowego gwiazdowego silnika lotniczego przeszczepionego do samochodu.

Gdy masowa produkcja nabrała tempa i zaczęły liczyć się koszty, wszystko wpadło na właściwe tory. Silnik jednocylindrowy stał się reliktem przeszłości. Dziś pojemność przypadająca na jeden cylinder w typowym silniku samochodowym wynosi od 300 do 600 centymetrów sześciennych, a moc jednostkowa oscyluje między około 35 KM/l w wolnossącym dieslu a 100 KM/l w wysokowydajnym silniku benzynowym. To są optymalne zakresy dla produkcji masowej – wykroczenie poza nie po prostu się nie opłaca.

Jak zatem wygląda współczesny krajobraz silnikowy? Mówiąc ogólnie:

• Silnik 100-konny ma zazwyczaj cztery cylindry
• Silnik 200-konny pracuje zwykle z czterema, pięcioma lub sześcioma cylindrami
• Silnik 300-konny najczęściej dysponuje ośmioma cylindrami

Ale jak właściwie można rozmieścić te cylindry? Jakie warianty układu mają do dyspozycji inżynierowie projektujący silnik wielocylindrowy? Przyjrzyjmy się temu dokładniej.

Silniki rzędowe: proste, lecz coraz mniej praktyczne

Pytanie numer jeden, które zadaje sobie każdy konstruktor silnika, brzmi: jak uprościć projekt – obniżyć koszty produkcji i ułatwić obsługę. Pod tym względem silnik rzędowy nie ma sobie równych. Cylindry ustawione są w jednym rzędzie, a zwiększanie pojemności to po prostu dodawanie kolejnych. Tak to wygląda w praktyce:

• Silniki dwu- i trzycylindrowe są w samochodach osobowych stosunkowo rzadkie, choć dwucylindrowe jednostki przeżywają renesans dzięki nowoczesnym układom wtrysku i turbosprężarkom – przykładem jest 85-konny turbodoładowany dwucylindrowiec w Fiacie 500.
• Rzędowa czwórka to prawdziwy koń roboczy świata samochodów osobowych, obejmując pojemności od 1,0 do 2,4 litra.
• Rzędowe pięciocylindrowce to stosunkowo nowe rozwiązanie. Mercedes-Benz jako pierwszy zastosował diesla z pięcioma cylindrami w rzędzie w 1974 roku (model 300D na platformie W123), dwa lata później Audi wprowadziło benzynową rzędową piątkę o pojemności dwóch litrów, a pod koniec lat 80. do grona producentów dołączyły Volvo i Fiat.
• Rzędowe szóstki, od dawna ulubieniec europejskich producentów ze względu na płynność pracy, stają się coraz rzadsze. Ich dłuższy kuzyn, rzędowy ośmiocylindrowiec, został praktycznie porzucony już w latach 30. XX wieku.

Przyczyna tej tendencji jest prosta: im więcej cylindrów, tym dłuższy silnik – a to stwarza poważne problemy z upasowaniem go w komorze silnikowej. Poprzeczne zamontowanie rzędowej szóstki w samochodzie z napędem na przednie koła udało się tylko w nielicznych przypadkach: Austin Maxi 2200 (gdzie skrzynię biegów trzeba było umieścić pod silnikiem) oraz Volvo S80 z ultrakompatktową skrzynią biegów.

Silniki widlaste i bokserskie: kompaktowe, lecz bardziej złożone

Jak zatem skrócić silnik rzędowy? Eleganckie rozwiązanie: podzielić go na pół, ustawić obie połowy obok siebie i napędzać wspólny wał korbowy z obu stron. Na tym polega istota silnika widlastego.

Najczęściej spotykane konfiguracje silników widlastych przyjmują kąt rozwarcia 60° lub 90° między rzędami cylindrów. Gdy ten kąt wyniesie pełne 180° – cylindry skierowane są bezpośrednio w przeciwnych kierunkach – otrzymujemy silnik płaski, zwany też bokserem (stąd oznaczenia B2, B4, B6).

W porównaniu z silnikiem rzędowym kompromisy są znaczące:

• Dwie głowice cylindrów – każda z własną uszczelką i kolektorami
• Więcej wałków rozrządu i bardziej skomplikowany układ napędu zaworów
• Większa szerokość (szczególnie w przypadku silników płaskich), która ogranicza możliwości montażu
• Wyższy koszt produkcji i bardziej skomplikowana obsługa serwisowa

Ze względu na te wady silniki płaskie stosuje jedynie nieliczne grono producentów – dziś najbardziej znane to Porsche i Subaru.

A co z dalszym zmniejszaniem kąta rozwarcia silnika widlastego poniżej 60°? Takie rozwiązania były stosowane – Lancia Fulvia z lat 70. XX wieku używała silnika V4 z kątem zaledwie 23°. Jest jednak pewien haczyk: im mniejszy kąt, tym trudniej wyważyć silnik. To prowadzi nas do jednego z najważniejszych wyzwań w projektowaniu silników.

Drgania silnika: siły, momenty i sposoby ich okiełznania

Żaden tłokowy silnik spalinowy nie jest całkowicie wolny od drgań – to nieodłączna cecha tej konstrukcji. Kontrolowanie drgań ma jednak kluczowe znaczenie, i to nie tylko dla komfortu pasażerów. Silne niezrównoważone drgania mogą fizycznie niszczyć podzespoły silnika, z wszelkimi katastrofalnymi konsekwencjami związanymi z oderwaniem się części przy dużych prędkościach obrotowych.

Skąd biorą się drgania silnika? Istnieją trzy główne źródła:

• Nierównomierne odstępy między zapłonami – w niektórych konfiguracjach silników suwy pracy nie następują w równych odstępach, co powoduje nierównomierność momentu obrotowego. Cięższe koło zamachowe może pomóc wygładzić ten efekt.
• Siły bezwładności tłoków – gdy tłoki przyspieszają w górę i zwalniają w górnym martwym punkcie (i odwrotnie w dolnym), generują siły bezwładności podobne do tych, które odczuwamy przy hamowaniu lub przyspieszaniu samochodu.
• Geometria korbowodu – korbowód nie porusza się po linii prostej, a ruch tłoka nie jest idealną sinusoidą, co wprowadza dodatkowe składowe sił o wielokrotnościach prędkości obrotowej wału korbowego.

Te wyższe rzędy sił bezwładności są na ogół pomijalne – z wyjątkiem sił drugiego rzędu, działających z podwojoną częstotliwością wału korbowego, które zawsze muszą być uwzględniane. Gdy siły bezwładności w sąsiednich cylindrach działają w przeciwnych kierunkach w stałej od siebie odległości, powstają również momentowe pary sił, co dodaje kolejną warstwę komplikacji.

Inżynierowie dysponują dwoma głównymi narzędziami do zwalczania tych sił:

• Wybór konfiguracji z natury wyważonej – takie rozmieszczenie cylindrów i czopów wału korbowego, by siły i momenty wzajemnie się znosiły.
• Zastosowanie wałów wyrównoważających – dodatkowych wałków z przeciwciężarami, obracających się w kierunku przeciwnym do wału korbowego i generujących równe, lecz przeciwnie skierowane siły. Zwiększają one koszty i złożoność mechaniczną, ale mogą całkowicie zneutralizować problematyczne postacie drgań.

Spośród wszystkich popularnych układów silnikowych jedynie dwa są teoretycznie idealnie wyważone: rzędowy sześciocylindrowiec i bokserski sześciocylindrowiec. To właśnie dlatego BMW i Porsche tak kurczowo trzymają się tych konfiguracji – i dlatego inni producenci nie chcą ich porzucać mimo trudności z upasowaniem w komorze silnikowej.

Wyważenie poszczególnych układów silnikowych: praktyczny przewodnik

Przyjrzyjmy się, jak każda z głównych konfiguracji silnikowych radzi sobie w rzeczywistości pod względem drgań i wyważenia.

Rzędowe dwucylindrowce (tłoki poruszające się w tej samej fazie) zachowują się pod względem wyważenia podobnie do jednocylindrowca – oba tłoki unoszą się i opadają jednocześnie. Rosyjski samochód Oka używał dwóch wałów wyrównoważających obracających się w przeciwnych kierunkach, by poradzić sobie z siłami bezwładności pierwszego rzędu, siły drugiego rzędu pozostały jednak bez kompensacji. Dodanie dwóch kolejnych wałów wyrównoważających byłoby całkowicie niepraktyczne w tak małym i niedrogim samochodzie. Wiele dwucylindrowców – jak oryginalny Fiat 500 z 1957 roku czy indyjska Tata Nano – po prostu nie miało wałów wyrównoważających, polegając na podatnych poduszkach silnika, które pochłaniały drgania. Rozwiązanie tanie, proste i akceptowalne w budżetowych zastosowaniach.

Dwucylindrowce z wałem korbowym o przesunięciu czopów o 180° (tłoki poruszające się w przeciwnych fazach) zapewniają lepsze wyważenie pierwszego rzędu, lecz równomierne odstępy między zapłonami są możliwe jedynie w wersji dwusuwowej – jak w przedwojennych DKW i ich następcy, wschodnioniemieckim Trabancie.

Silniki V-twin przetrwały dziś niemal wyłącznie w motocyklach – Harley-Davidson i jego japońscy naśladowcy są tu oczywistymi przykładami. NAMI-1 jest praktycznie jedynym samochodem, który kiedykolwiek wykorzystywał ten układ. Przeciwciężary na wale korbowym mogą zbliżyć go do pełnego wyważenia, lecz równomierne odstępy między zapłonami pozostają nieosiągalne.

Trzycylindrowce są gorzej wyważone niż rzędowe czwórki. Producenci tacy jak Subaru i Daihatsu montują wały wyrównoważające w standardzie; decyzja Opla o pominięciu wału w trzycylindrowym Ecotecu dla Corsy drugiej generacji pozwoliła zaoszczędzić na kosztach, lecz przyniosła samochodowi złą sławę w niemieckiej prasie motoryzacyjnej po jego debiucie w 1996 roku – opisywano go jako „absolutnie niemożliwy do prowadzenia w mieście w zmiennych trybach jazdy”.

Rzędowe czwórki – najpopularniejszy układ na świecie – mają wolną siłę bezwładności drugiego rzędu, którą można zneutralizować jedynie za pomocą wału wyrównoważającego obracającego się z podwojoną prędkością wału korbowego. Aby skompensować powstający moment, potrzebny jest drugi wał obracający się w przeciwnym kierunku. Kosztowne – owszem – ale Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat i marki Grupy Volkswagen korzystały z tego rozwiązania wszędzie tam, gdzie wymagana była wysoka kultura pracy silnika.

Bokserskie czwórki wypadają nieco lepiej niż ich rzędowe odpowiedniki – pozostaje jedynie momentowa para sił drugiego rzędu, powodująca odchylanie silnika wokół jego osi pionowej. Mimo to zarówno chłodzony powietrzem silnik Volkswagena Garbusa, jak i jednostki bokserskie Subaru przez dziesięciolecia radziły sobie bez wałów wyrównoważających.

Rzędowe pięciocylindrowce mają skompensowane pierwotne siły bezwładności, lecz cierpią na toczący się moment gnący, który nieustannie przemieszcza się przez blok silnika – co wymaga wyjątkowo sztywnej konstrukcji. Mercedes-Benz, Audi i Volvo poradziły sobie z tym dzięki dopracowanym poduszkom silnika i przeciwciężarom (jak w doładowanym silniku 2.5 TFSI w Audi TT RS), natomiast inżynierowie Fiata poszli o krok dalej i zastosowali pełny wał wyrównoważający.

Pewna ciekawostka: niemal wszystkie pięciocylindrowce to w istocie czterocylindrowce z jednym dodatkowym cylindrem. Takie modułowe podejście pozwala na stosowanie wspólnych tłoków, korbowodów i elementów układu rozrządu – zmienić trzeba jedynie blok, głowicę i wał korbowy (z czopami rozmieszczonymi co 72°).

Silniki V6, które zastąpiły rzędowe szóstki, mają takie same charakterystyki wyważenia jak trzycylindrowiec – co nie jest ideałem. Pierwszy silnik V6 Mercedesa-Benza (M112 z trzema zaworami na cylinder) rozwiązał ten problem za pomocą wału wyrównoważającego umieszczonego w przestrzeni między rzędami cylindrów. Trzylitrowemu sześciocylindrowcowi Grupy PSA umieszczono go w głowicy. Inni producenci zdecydowali się na staranne przesunięcie czopów wału korbowego – jak w silniku V6 Audi – by zminimalizować drgania bez dodatkowej komplikacji. Silniki V6 z kątem rozwarcia 90° mają jeszcze jeden kłopot: nierównomierne odstępy między zapłonami, których obciążone koło zamachowe może tylko częściowo złagodzić.

Silniki V8 z kątem rozwarcia 90° i czopami wału korbowego w dwóch wzajemnie prostopadłych płaszczyznach są bardzo dobrze wyważone. Równomierne odstępy między zapłonami są osiągalne, a pozostają jedynie dwie resztkowe momentowe pary sił, łatwe do zneutralizowania za pomocą przeciwciężarów na czopach oporowych wału korbowego. To w dużej mierze wyjaśnia, dlaczego amerykańscy inżynierowie z takim entuzjazmem przyjęli układ V8: po prostu nie tolerują drgań.

Silniki V4 były rzadkością i dziś są w samochodach praktycznie zapomniane. Europejski Ford V4 (stosowany w Taunusie, Capri i Saabie 96) oraz osobliwy silnik V4 Zaporożca wymagały wału wyrównoważającego dla momentowych par sił pierwszego rzędu. Głównymi czynnikami były kompaktowość i koszt – wyważenie było sprawą drugorzędną.

Silniki V10 mają takie same charakterystyki wyważenia jak rzędowa piątka. Nie powstrzymało to konstruktorów jednostek Formuły 1, Dodge’a Vipera ani Dodge’a RAM przed ich zastosowaniem – gdy potrzeba mocy, radzimy sobie z drganiami.

Jeśli chodzi o bardziej egzotyczne układy: bokserski ośmiocylindrowiec (stosowany w wyścigowym Porsche 917) to w istocie dwie bokserskie czwórki na wspólnym wale korbowym, podczas gdy silniki V12 i bokserskie dwunastocylindrowce sprowadzają się do dwóch rzędowych szóstecek – co wyjaśnia ich wyjątkową płynność pracy.

VR6, VR5 i silniki W: mistrzowski pomysł Volkswagena na kompaktowość

Wcześniej wspomnieliśmy o wąskokątowych silnikach widlastych, takich jak w Lancii Fulvii. Przez dziesięciolecia ich unikano – trudniejsze w wyważeniu niż układy 60° lub 90°, a zyski z kompaktowości nie wydawały się warte zachodu. Potem priorytety się zmieniły.

Dwa przełomy zmieniły reguły gry:

• Hydrauliczne poduszki silnika stały się powszechnie dostępne, radykalnie tłumiąc przenoszenie drgań niezależnie od teoretycznego wyważenia silnika.
• Przestrzeń pod maską stawała się coraz cenniejsza, co sprawiło, że kompaktowość zaczęła być na wagę złota. Kto by przypuszczał, że skromny hatchback skrywa pod maską sześciocylindrowy silnik o pojemności 2,8 litra? Volkswagen sprawił, że to możliwe.

Volkswagen VR6 – gdzie „VR” oznacza V-Reihen (widlasto-rzędowy) – posuwa wąskokątową koncepcję dalej, niż kiedykolwiek zrobiła to Lancia, stosując kąt zaledwie 15° między rzędami cylindrów. Efekt jest tak kompaktowy, że silnik funkcjonuje praktycznie jak rzędowiec z przesuniętymi cylindrami, a co wyjątkowe – używa wspólnej głowicy dla obu rzędów. Sześciocylindrowy silnik o pojemności 2,8 litra, który mieści się tam, gdzie nie zmieściłby się konwencjonalny V6 – zadebiutował w trzeciej generacji Volkswagena Golfa.

Na tej bazie inżynierowie Volkswagena rozwinęli koncepcję:

• VR5 to VR6 z usuniętym jednym cylindrem.
• W8 połączył dwie skrócone jednostki VR (po cztery cylindry każda) na wspólnym wale korbowym – trafił do flagowego sedana Passat.
• W12 zadebiutował w 1998 roku w koncepcyjnym roadsterze W12: dwa silniki VR6 sprzężone pod kątem 72° na jednym wale korbowym.
• W16 – z czterema turbosprężarkami – napędza Bugatti Veyrona do prędkości 431 km/h, stanowiąc najbardziej ekstremalną produkcyjną realizację tej architektury.

Dlaczego te układy nie istniały wcześniej? Umożliwiło je nowoczesne projektowanie wspomagane komputerowo. Optymalizacja kąta rozwarcia, rozmieszczenia czopów wału korbowego, kolejności zapłonów i charakterystyk wyważenia w tak złożonych geometriach byłaby praktycznie niemożliwa bez mocy obliczeniowej dostępnej od lat 90. XX wieku. Sam wał korbowy silnika W12 to koszmar dla mechanika – element, który ma sens wyłącznie wtedy, gdy komputer zweryfikował każdą tolerancję.

Co naprawdę liczy się przy projektowaniu silnika

Jeśli jest jeden wniosek, który można wyciągnąć z całości, to ten, że teoretyczne wyważenie rzadko jest decydującym czynnikiem przy wyborze układu silnika. Prawdziwe priorytety to:

• Upasowanie – czy silnik zmieści się w komorze silnikowej?
• Masa i gęstość mocy – jaki jest najlepszy stosunek dla danego zastosowania?
• Koszt produkcji – czy możliwe jest współdzielenie podzespołów w całej gamie modelowej?
• Modularność – coraz częściej producenci budują całe rodziny silników na wspólnej architekturze tłoka i cylindra, od trzycylindrowych jednostek ekonomicznych aż po dwunastocylindrowe flagowce

Obecna gama silnikowa Mercedesa-Benza jest podręcznikowym przykładem podejścia modularnego: wspólna architektura stanowi podstawę jednostek o bardzo różnych mocach i liczbach cylindrów.

A jeśli chodzi o drgania – warto pamiętać, że wyważenie teoretyczne i rzeczywiste to dwie zupełnie różne rzeczy. Nawet idealnie wyważony rzędowy sześciocylindrowiec będzie drgał, jeśli zespół wału korbowego nie jest właściwie wyrównoważony lub jeśli tłoki i korbowody różnią się między sobą masą. Rzeczywiste tolerancje produkcyjne i odkształcenia podzespołów pod obciążeniem powodują, że żaden silnik nie pracuje nigdy tak płynnie, jak sugerują obliczenia. Dlatego właśnie projekt poduszek silnika – sposób, w jaki jednostka napędowa jest odizolowana od reszty samochodu – jest równie ważny co sam układ cylindrów. A niekiedy nawet ważniejszy.

To jest tłumaczenie. Oryginał można przeczytać tutaj: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html