DZIEDZICTWO INŻYNIERII: UKŁADY CYLINDRÓW, cz. II

Pierwsza część niniejszego wpisu ukazała się ponad miesiąc temu, ale urlop i różne inne czynniki sprawiły, że za drugą zabrałem się dopiero teraz. Uprzednio tematem były spalinowe silniki do czterech cylindrów włącznie, tym razem więc pora na pozostałe, powszechnie uważane za bardziej szlachetne.

Z ową szlachetnością sprawa jest prosta: ponieważ w silniku czterocylindrowym suw pracy trwa dokładnie jedną czwartą cyklu, suwy owe mogą się na siebie nakładać dopiero w sytuacji, kiedy cylindrów jest więcej. Jednym słowem – jedynie pięcio- i więcej -cylindrowe motory spalinowe pracują w sposób ciągły, bez przerw w oddawaniu mocy. Przekłada się to na mniejszą masę koła zamachowego, niższy poziom wibracji i ładniejsze, szlachetniejsze brzmienie. A także, co oczywiste, na wyższe koszty – produkcji oraz eksploatacji. Z tych wszystkich powodów od zarania motoryzacji liczba cylindrów uchodziła za jeden z podstawowych wyznaczników prestiżu auta, a jeśli pominąć najwcześniejsze dzieje, granica oddzielająca automobilową arystokrację od plebsu leżała właśnie pomiędzy silnikami cztero- i więcej -cylindrowymi.

***

Silnik pięciocylindrowy pojawił się samochodach osobowych dość późno, bo dopiero w 1974r. Po raz pierwszy zastosował go Mercedes, w dodatku w formie diesla – trzylitrowego OM617 z modelu W115 (a potem również W123, W116, W126, terenowego G oraz aut użytkowych). Chodziło o rozwinięcie 2,4-litrowego OM616 (240 D), przedłużonego o jeden cylinder, opracowane wskutek krytyki słabych osiągów dieslowskich osobówek, słabo przystających do wizerunku marki. Co prawda w latach 60-tych Daimler-Benz próbował konstruować diesle 6-cylindrowe, jednak ich koszt, ciężar i spalanie okazały się niekonkurencyjne wobec choćby benzynowych dwulitrówek. Jako kompromis powstała więc odmiana pięciocylindrowa, która w samochodach dostawczych przetrwała aż do 1991r. (na marginesie: być może nie każdy wie, że przy konstruowaniu OM617 pracował miedzy innymi młody wtedy jeszcze inżynier Ferdinand Piëch – późniejszy prezes Volkswagena. To między innymi on, po przejściu do Audi, był zwolennikiem budowania pięciocylindrowych – tym razem benzynowych – silników modeli 100 i Quattro).

Mercedesowski OM617

Foto: public domain

Ta historia dobrze podsumowuje charakter silników pięciocylindrowych: są one mniejsze i tańsze od szóstek, ale pracują wyraźnie równiej niż czwórki, i podczas gdy pod tym pierwszym względem leżą mniej więcej w połowie dystansu między nimi, to pod tym drugim – bliżej tego lepszego bieguna. Na tyle blisko, że ich mała popularność powinna nas dziwić (zwłaszcza że pięciocylindrówkę relatywnie łatwo zamontować poprzecznie).

Przy pięciu cylindrach zapłony następują co 144º obrotu wału, czyli teoretycznie suwy pracy częściowo się pokrywają. W praktyce owo pokrywanie jest słabe, bo pod koniec suwu otwiera się zawór wydechowy, co kończy oddawanie mocy. Silnik R5 nie jest naturalnie wyrównoważony: osiągnięcie dobrej kultury pracy wymaga zastosowania dodatkowego wałka obracającego się w prędkością wału korbowego. Najczęstsza kolejność zapłonów to 1-2-4-5-3 – tak, jak na animacji poniżej.

Animacja: MichaelFrey, Licencja CC

Poza OM617 Mercedes produkował jeszcze kilka pięciocylindrowych diesli, podobne miało też w ofercie Audi i koncern Fiata. Benzynowe piątki to przede wszystkim znów Audi (w tym słynne, turbodoładowane Quattro) i Volvo, a  także Honda z produkowanymi od 1989r. modelami Vigor, Inspire, Ascot, Rafaga i Acura TL (słabo znanymi w Europie). Honda produkowała też najmniejszy w świecie, pięciocylindrowy silnik motocyklowy, o pojemności 125 cm³ (!!) – zunifikowany z miniaturową, dwucylindrową 50-tką.

Pięciocylindrowe konstrukcje Volva wykorzystywał w swoich sportowych modelach Ford. Tenże Ford, oddział amerykański, jeszcze w latach 30-tych planował produkować małe (jak na tamtejsze standardy) samochody pięciocylindrowe. Nic jednak z tego nie wyszło, bo klienci masowo kupowali Flathead V8 nie zgłaszając zapotrzebowania na mniejsze i tańsze auta.

Generalnie R5-tek nie było dużo, a wielka szkoda, bo piąty cylinder pozwala cieszyć się kulturą pracy ze świata „>4” przy umiarkowanych kosztach. Jeśli ktoś nie miał okazji zwrócić uwagi, to zapraszam do posłuchania pięciocylindrówek Audi: poniekąd rozumiem ludzi uważających, że dołożenie szóstego cylindra nie jest opłacalną inwestycją.

***

A jednak – to sześciocylindrówki wzbudzają wśród samochodziarzy żywe emocje, a to z kilku powodów. Po pierwsze, rzędowa szóstka jest układem o idealnym wyrównoważeniu wszystkich sił i momentów, bez użycia dodatkowych wałków i innych sztuczek, a po drugie – przez większość historii motoryzacji była ona najmniejszym ze „szlachetnych” układów więcej-niż-czterocylindrowych (bo R5 wynaleziono niedawno i stosowano rzadko). Oczywiście mowa tu o postrzeganiu europejskim: w USA było dokładnie odwrotnie, bo od lat 30-tych aż do nadejścia Epoki Plastiku prawie nie występowały tam silniki czterocylindrowe, R6 stanowiło więc najtańszą i najpośledniejszą ofertę. No ale nie od dziś wiadomo, że dwa brzegi północnego Atlantyku to dwie odrębne motoryzacyjne planety.

Wyrównoważenie sił i momentów wynika z dwóch faktów: A) pierwsza i druga trójka cylindrów są lustrzanymi odbiciami, czyli tłoki 1-6, 2-5 i 3-4 poruszają się razem, tylko w innych suwach (360º od siebie), B) poszczególne wykorbienia dzieli 120º, co niweluje momenty drugiego stopnia wywołane odchyłkami od idealnie sinusoidalnego ruchu tłoków. 120-stopniowy interwał między iskrami zapewnia też realne, nie tylko teoretyczne nakładanie się suwów pracy.

Animacja: MichaelFrey, Licencja CC

Bezwibracyjność była i jest szczególnie pożądana w autach luksusowych, dlatego to tam rzędowe szóstki zadomowiły się w pierwszej kolejności. Podobnie w segmencie Gran Turismo, z natury przeznaczonym do pokonywania długich dystansów na wysokich obrotach, potęgujących wibracje silnika. Kultura pracy to jednak nie tylko komfort: ponieważ niepożądane siły rosną wraz z sześcianem średnicy tłoka, stają się problematyczne przy dużych pojemnościach, np. w wielkich ciężarówkach i autobusach – dlatego i tam układ R6 stosuje się powszechnie.

Pierwszy samochodowy silnik o sześciu cylindrach zbudował w 1903r. holenderski Spyker. Trzy lata później R6-tki budował już Mercedes, Rolls-Royce, Delauney-Belleville (francuska marka, która jako pierwsza w świecie wyspecjalizowała się w autach luksusowych), a także Ford w swym topowym Modelu K. W okresie międzywojennym również w Europie rzędowe szóstki trafiały masowo nawet do modeli klasy średniej, by po 1945r. znów wycofać się do wyższych segmentów rynku (tutaj wyróżniały się przede wszystkim marki BMW, Mercedes, Aston-Martin, Jaguar i Maserati). Z kolei w USA R6-tki stanowiły podstawowe źródło napędu tanich samochodów, aż do rozszerzenia rynku w dół po pierwszym kryzysie naftowym.

Dźwięku rzędowych szóstek z różnych epok możecie posłuchać sobie TUTAJ – będzie o czym gaworzyć w komentarzach 🙂

3,8-litrowy silnik Jaguara E-Type’a

Foto: Acabashi, Licencja CC

W dzisiejszych czasach sześciocylindrówki znane są głównie w postaci widlastej (tzn. tak naprawdę już wymierają, ale na ulicach wciąż występują powszechnie). Zyskały one pewną popularność, bo brzmią sześciocylindrowo (nisko kłania się regularny, 120-stopniowy odstęp między zapłonami), a przy tym są znacznie mniejsze, lżejsze i tańsze od motorów rzędowych, dają się też bez trudu upchnąć w karoserii poprzecznie. Co jednak ciekawe, poza jednym silnikiem Marmona z 1905r. i niemal całkiem zapomnianą jednostką Delahaye z lat 30-tych układ V6 wprowadziła dopiero Lancia w roku 1950-tym, a względnie spopularyzował Ford w latach 60-tych.

V6 – jak każdy silnik widlasty – jest kompromisem rozważanym przez inżynierów praktycznie tylko z uwagi na kompaktowe wymiary i niższy koszt. Tyle tylko, że od sześciu cylindrów wzwyż ów kompromis zaczyna się opłacać, bo długość motorów rzędowych robi się dokuczliwa.

Szkic: public domain

V6-tki są kiepsko wyrównoważone, bo stanowią złożenie dwóch silników R3, w których jeden tłok zawsze porusza się w innym kierunku niż pozostałe dwa. Zasadniczo stosuje się dwa kąty rozwarcia cylindrów: 60 i 90º.

W tym pierwszym przypadku – np. w pierwszych silnikach Lancii z lat 50-tych – występuje sześć osobnych wykorbień umożliwiających równe odstępy między zapłonami (jak w motorach R6), ale siły pierwszego i drugiego stopnia pozostają niezrównoważone.

Innym, ciekawym rozwiązaniem jest zastosowanie tylko trzech wykorbień z bezpośrednimi połączeniami sąsiadujących czopów korbowych (ang. flying arms). W ten sposób zachowane są równe odstępy zapłonów przy mniejszej liczbie łożysk głównych i wydatnie skróconym wale (kosztem jego mniejszej sztywności).

Foto: Alex Kovach, Licencja CC

Opcja druga, czyli 90-stopniowe V6, ma jedną główną zaletę: daje się zunifikować z 90-stopniowym V8, dzięki czemu spadają łączne koszty produkcji w firmach oferujących oba produkty na raz. Łatwo się domyślić, że na ten pomysł pierwsi wpadli Amerykanie, a w latach 90-tych również Daimler prezesa Schremppa (tego od fuzji z Chryslerem i produkowania karoserii z papieru). Takie silniki są jednak szerokie, a w przypadku pójścia na całość z oszczędnością i projektowania bloków V6 jako niekompletnych V8-mek – mają też nierówne odstępy pomiędzy zapłonami (na przemian 90 i 150º), wytwarzające nieprzyjemne wibracje w pewnych zakresach obrotów. W ten sposób zbudowane były np. francusko-szwedzkie silniki PRV (naprawdę powstałe z odpiłowania dwóch cylindrów od niedoszłej V8-mki), niektóre produkty GM i Chryslera, a nawet motory pierwszej Hondy NSX. Z kolei nowsze konstrukcje – jak wspomniane, mercedesowskie M112 i M272, a także późniejsze silniki Chevroleta i Buicka – dostały dzielone czopy korbowe, z mocowaniami korbowodów przesuniętymi wobec siebie o 30º w celu zachowania 120-stopniowego odstępu zapłonów. Dodatkowo zostały one wyposażone w wałki niwelujące siły pierwszego i drugiego rzędu, oraz specjalne układy wydechowe upodabniające ich dźwięk do R6-tki. Jednak najlepszym dowodem na ułomność takiej koncepcji jest późniejsze przejście Daimlera na V6 z 60-stopniowym kątem rozwarcia (kod M276).

W historii zdarzały się też przykłady 120-stopniowego rozwarcia cylindrów V6-tek: taki silnik wygląda jak dwie trzycylindrówki, z przeciwległymi korbowodami dzielącymi jeden czop korbowy, ale nie równoważącymi wzajemnie generowanych sił. Ponieważ w tym przypadku nie da się obejść bez wałków wyrównoważających, a blok jest bardzo szeroki, nie ma żadnego powodu by wybrać ten układ zamiast 6-cylindrowego boxera.

W ten sposób płynnie przechodzimy do kolejnego układu. B6 wydaje się ideałem kultury pracy i jak najbardziej nim jest: podobnie jak R6 ma równe odstępy między zapłonami, nakładające się na siebie suwy pracy i pełne wyrównoważenie sił oraz momentów pierwszego i drugiego rzędu. Dlaczego więc sześciocylindrowe boxery nie zdobyły większej popularności?

Po pierwsze, dużo kosztują, ale to nie ma kluczowego znaczenia w segmentach, do których byłyby przeznaczone. Istotniejszy kłopot to duża szerokość, która utrudnia kierowanie przednimi kołami: umieszczenie silnika z tyłu to raczej ekscentryczne rozwiązanie, zaś centralnosilnikowce miewają zazwyczaj kompaktowe, widlaste silniki o większej liczbie cylindrów (kiedyś miewały też zwykłe R4, ale kto by dziś kupił Fiata X1/9 albo Toyotę MR2…?). Z tego powodu jedynym znaczącym producentem w tej niszy pozostaje Porsche oraz jego pochodne, jak np. RUF. Innymi przykładami są niektóre modele Subaru, pojedynczy wybryk w postaci Chevroleta Corvair, nigdy nieprodukowany seryjnie Tucker Torpedo, prototypowe motory Citroëna DS (niestety nieudane i w produkcji zastąpione rozwinięciem przedwojennej jednostki Traction Avant), a także pierwsza tego typu konstrukcja w dziejach – zupełnie dziś zapomniany, brytyjski Wilson-Pilcher z lat 1904-07.

Automobile Wilson-Pilcher oferowano z boxerami cztero- i sześciocylindrowymi, o pojemnościach 2,7 i 4,1 litra. Dzięki nim oraz planetarnym przekładniom jeździły one wyjątkowo cicho i komfortowo (jeden z udziałowców firmy, Walter Gordon Wilson, wynalazł potem półautomatyczne przekładnie preselekcyjne). Niestety, do dziś dotrwał tylko jeden egzemplarz, z silnikiem czterocylindrowym.

Foto: public domain

Jak każdy boxer, układ B6 świetnie nadaje się do chłodzenia powietrzem. Dźwięku najklasyczniejszego przykładu takiej konstrukcji posłuchacie sobie TUTAJ.

***

Przegląd układów ośmiocylindrowych również zaczniemy od rzędówek – dziś znanych już tylko auto-maniakom z silnym zboczeniem historycznym, ale w Epoce Niklu rozpowszechnionych jako napęd samochodów luksusowych.

W rzędowej ósemce kolejność zapłonów to 1-6-2-5-8-3-7-4. Siły i momenty kasują się wzajemnie tak samo jak w układzie R6, z tym że na każdy cykl przypada więcej suwów pracy, można więc jeszcze bardziej zmniejszyć masę koła zamachowego, a praca pod obciążeniem będzie jeszcze gładsza. Z drugiej jednak strony bardzo długi wał korbowy podlega większym siłom skręcającym, przez co wymaga stosowania tłumików drgań i gorzej zachowuje się przy dużych prędkościach obrotowych.

Animacja: MichaelFrey, Licencja CC

Pierwszy działający silnik R8 zaprezentowała w 1907r. czeska Škoda, która wtedy jeszcze nie była czeska (tylko austro-węgierska) i nie nazywała się Škoda (tylko Laurin & Klement).

Tak naprawdę chodziło o dwa połączone z sobą bloki czterocylindrowe – taka koncepcja, tzn. składanie dużych silników z mniejszych klocków, była wtedy normą. 4,8 litra pojemności dawało 45 KM mocy, a całość szokowała tym bardziej, że produkcję jakichkolwiek automobili spółka Laurin & Klement podjęła była zaledwie dwa lata wcześniej.

Foto: public domain

Prawdziwą furorę układ R8 zrobił w okresie międzywojennym. W Europie lubili go producenci (i użytkownicy) aut z najwyższej półki – marek Mercedes-Benz, Horch, Bugatti, Isotta-Fraschini, Alfa-Romeo czy brytyjskiego Daimlera. W Ameryce preferowano raczej V8, ale kilka firm – między innymi Duesenberg, Stutz, Packard czy Buick – trzymało się układu rzędowego. To między innymi ta koncepcja, wymagająca nadzwyczaj długiej komory silnika, przyczyniła się do skojarzenia długiej maski z wysokimi osiągami.

Po II wojnie światowej układ R8 całkowicie ustąpił pola V8, choć tutaj znów można wskazać kontrprzykłady: Chrysler produkował rzędowe ośmiocylindrówki aż do prezentacji silnika Hemi V8 w 1951r., Buick nawet o dwa lata dłużej, a Mercedes-Benz 300 SLR dostał taki motor jeszcze w 1955r. (tutaj chodziło jednak o konstrukcję wyczynową, bazującą na technice z Formuły 1).

O wizualnym pięknie silników Bugattiego pisałem już kilka razy. A jak R8 mogło brzmieć? Ano na przykład tak: LINK.

Foto: Sfoskett, Licencja CC

Silniki o ośmiu cylindrach to jednak przede wszystkim jednostki widlaste – a o tych można by napisać całą książkę. Jako że tyle miejsca (i czasu) nie mamy, ograniczymy się do tego, co następuje.

Przytłaczająca większość V8-mek ma kąt rozwarcia cylindrów równy 90º – nieoptymalny dla sześciocylindrówek, ale odpowiedni dla ósemek i dający dodatkowo bardziej zwartą i lżejszą budowę (a wraz z rosnącą liczbą cylindrów ten aspekt staje się coraz istotniejszy). Nieliczne wyjątki to konstrukcje wywodzące się z 60-stopniowych V6 (np. silniki Forda/Yamahy używane w Taurusie i Volvo XC90), potężne jednostki Rolls-Royce Meteorite (do zastosowań militarnych) i wczesne V8-mki Lancii z lat 20-tych: te były spokrewnione z V4-ką modelu Lambda i charakteryzowały się zaledwie 13-stopniowym kątem rozwarcia, umożliwiającym zastosowanie pojedynczej głowicy (podobnie jak w volkswagenowskich silnikach VR, które opiszę kiedy indziej). W sporcie zdarzają się też V8-mki o 45- i 72-stopniowym kącie rozwarcia, ale to już egzotyka.

Drugi podział V8-mek bazuje na kształcie wału korbowego, który może być płaski (flat-plane, z wykorbieniami co 180º), lub przestrzenny (cross-plane, co 90º).

W tym pierwszym przypadku budowa jest prostsza, lecz silnik pracuje jak dwie rzędowe czterocylindrówki i nie różni się od nich dźwiękiem oraz kulturą pracy (tzn. występują w nim siły drugiego rzędu, chyba że konstruktor zniweluje je za pomocą wałków wyrównoważających). V8-mki z płaskim wałem powstały jako pierwsze: do seryjnie produkowanego samochodu wprowadziła je w 1914r. firma Cadillac, w której ślady poszedł Peerless (1915) i Chevrolet (1917 – tak, 15 lat przed Fordem, z tym że wtedy firma szybko wycofała się z tego rozwiązania).

W 1923r. Cadillac poczynił kolejny krok opracowując przestrzenne wały korbowe (cross-plane V8)

Foto: Egmason, Licencja CC

Tutaj spory problem stwarzała technologia produkcji, to jest wykonanie precyzyjnej, „trójwymiarowej” odkuwki (wałów odlewanych jeszcze wtedy nie rozważano). Wysiłek i inwestycja opłaciły się jednak, bo dopiero taka konfiguracja pozwala zbalansować siły drugiego rzędu – gdyby chcieć się czepiać, to nie do końca, ale w stopniu pozwalającym je zignorować – i uzyskać gładką pracę silnika przy niemal dowolnie wysokich pojemnościach. Cross-plane V8 ma jednak i wady: przestrzenny wał korbowy, w przeciwieństwie do płaskiego, wymaga bowiem masywnych przeciwciężarów, przez co ma większą bezwładność (wolniej nabiera i wytraca obroty, jest więc odpowiedniejszy np. do Cadillaca Eldorado niż do wyścigowych bolidów). Występuje tu też zjawisko, które opisywałem przy okazji układu B4, to jest nierównomierne impulsy ciśnienia w układzie wydechowym, jeśli zastosuje się osobne kolektory dla prawego i lewego rzędu cylindrów (bo kolejność zapłonów podąża za schematem PLPPLPLL). Trzeba więc albo zaprojektować skomplikowany wydech zbierający spaliny ze wszystkich ośmiu cylindrów, albo też pogodzić się z nie najlepszą wymianą ładunku cylindrów i „bulgoczącym” odgłosem. Który to odgłos automobilowa brać szybko uznała za „rasowy” i zaczęła cenić jako znak rozpoznawczy potężnych mocy.

Zdecydowana większość seryjnych V8-mek należy do typu cross-plane, jednak ze względu za wspomnianą dynamikę konstrukcje wybitnie sportowe miewają i dzisiaj wały płaskie: znany z nich jest przede wszystkim Lotus, TVR i McLaren, a także niektóre modele Ferrari (stare 308 i nowe 488). Flat-plane V8 posiadał też Ford GT40.

V8-mki mają naprawdę zwartą budowę, wyglądają więc stosunkowo skromnie, jak na swoją pojemność. Na zdjęciu – 350-calowy motor Buicka Skylark ’71.

Foto: praca własna

Silników V8 produkowano w historii mnóstwo, w Ameryce na przykład przez niemal półwiecze trudno było znaleźć samochód osobowy napędzany czymkolwiek innym (poza podstawowymi wersjami najtańszych modeli, kupowanymi głównie przez floty, młodzież, a czasem też niektórych emerytów). W Europie przed wojną dominowały ósemki rzędowe, a po niej V8 z oczywistych przyczyn pozostało bardzo ekskluzywną imprezą. Sprawy zaczęły się zmieniać u progu XXI wieku, kiedy Stary Kontynent bardzo się wzbogacił, a ropa naftowa potaniała poniżej 10 dolarów za baryłkę. Różne firmy, zwłaszcza niemieckie, zaczęły wtedy wkładać ogromne, niemal amerykańskiej wielkości motory pod maski aut segmentów E, a nawet D. Niestety, zanim owa zmiana okrzepła, wybuchły kolejne bliskowschodnie wojny, ceny paliw na nowo poszybowały, a chwilę później normy emisji dwutlenku węgla i specyficzne metody jej pomiaru zmusiły producentów do intensywnego downsizingu.

Wypada podać jeszcze przykłady pionierskich V8-mek z czasów przed Cadillakiem ’14. Układ wymyślił w 1902r. Francuz, Léon Levavasseur, który budował silniki wyścigowych łodzi, dzięki swemu małemu ciężarowi jednostkowemu adaptowane potem do pionierskich samolotów.

W 1905r. pojawił się rekordowy bolid marki Darracq, którego ośmiocylindrowa, widlasta jednostka miała pojemność 25 litrów, a rozwijała 200 KM i pozwalała pojechać całe 180 km/h. Całość wyglądała jak pojazd samego Belzebuba, ale do dzisiaj potrafi zaskoczyć dynamiką.

Foto: Dave_S., Licencja CC