Kultura pracy silnika

Pokaż mi silnik w swoim aucie, a powiem ci, czy jest dobre. Powszechnie uważa się, że im więcej cylindrów, tym lepiej, co utożsamiane jest z wysoką kulturą pracy silnika. To prawda, ale nie do końca.

Wibracje wywołane pracą silnika powodują drgania nadwozia, podwozia i innych elementów samochodu. To bardzo niekorzystne zjawisko wywołujące m.in. wzmożony hałas. Kłopot polega na tym, że wyeliminowanie drgań i hałasu jest dość trudne i kosztowne. Najtaniej jest zapobiegać tym zjawiskom w fazie projektowania pojazdu.

Kultura pracy silnika

Największe drgania generują 1-cylindrowe silniki o pojemności skokowej (np. motocyklowe) i 2-cylindrowe, np. od Fiata 126p, którego jednostka napędowa na wolnych obrotach wprawiała w drgania cały tył samochodu.

Przyczyną drgań silnika czterosuwowego są z jednej strony siły pochodzące od ciśnienia gazów na denko tłoka, z drugiej zaś siły masowe generowane podczas ruchu posuwisto-zwrotnego tłoków i dość skomplikowanego ruchu korbowodów odbywającego się ze zmiennymi przyspieszeniami.

Układ cylindrów silnika ma więc kolosalne znaczenie dla jego kultury pracy. W samochodach europejskich używa się rzędowych silników 3-, 4- i 6-cylindrowych oraz 6-cylindrowych jednostek widlastych o różnym kącie ustawienia cylindrów. Nieliczni stosują bardzo korzystne z punktu widzenia wyrównoważenia silniki o tłokach przeciwsobnych typu bokser (np. Porsche, Subaru).

W samochodach produkowanych masowo, czyli tanich, ze względu na obniżanie kosztów stosuje się przeważnie rzędowe silniki 3- lub 4-cylindrowe. To zło konieczne. Bogaci kupują auta z rzędowymi silnikami 6-cylindrowymi o zdecydowanie wyższej kulturze pracy.

Pewnym rozwiązaniem problemu drgań w silnikach 4-cylindrowych jest stosowanie wałków wyrównoważających. Już w latach 70. Stosowała je firma Mitsubishi w modelu Colt. Obecnie stosuje je np. Opel w 4-cylindrowych jednostkach wysokoprężnych. 

Ile cylindrów?

W rzędowym silniku 3-cylindrowym z wykorbieniami wału ustawionymi pod kątem 120 stopni, wszystkie siły się równoważą. Pozostaje do zrównoważenia moment zginający wał korbowy. Można to osiągnąć przez zastosowanie jednego wałka wyrównoważającego.

W rzędowym silniku 4-cylindrowym obie pary tłoków znajdują się w tym samym położeniu i poruszają się w tym samym kierunku. Dzięki symetrii nie występują drgania wzdłuż wału korbowego. Pozostają do wyważenia siły pochodzące od ruchu tłoków. Symetryczny układ rzędowej czwórki wzmacnia je i dlatego silniki rzędowe o pojemności ponad 2 litry powinny być wyposażone w dwa wałki wyrównoważające, które obracają się w przeciwnych kierunkach. Jeden z wałków umieszczony jest nieco powyżej wału korbowego drugi zaś w górnej części bloku.

W rzędowym silniku 6-cylindrowym mamy do czynienia z idealnym układem. Wykorbienia wału są ustawione pod kątem 120 stopni. Położenie tłoków i fazy ich ruchów są równoważone przez

odpowiedniki. Dlatego rzędowa jednostka 6-cylindrowa jest wyważona bez użycia dodatkowych elementów. Pracuje ona równomiernie, wręcz wzorcowo nie tracąc energii na napęd niepotrzebnych wałków. Taki układ stosuje się w droższych autach, np. BMW.

Silnik widlasty

W silnikach widlastych najczęściej stosuje się kąt rozchylenia cylindrów 60 lub 90 stopni. Sześciocylindrowe silniki widlaste pod kątem 90 stopni nie tworzą ideału. Powstają w nim wibracje wzdłuż osi wału korbowego, które można zrównoważyć za pomocą jednego wałka umieszczonego w zagłębieniu V. Silnik V6 rozchylony pod kątem 60 stopni może pracować z powodzeniem bez wałka wyrównoważającego, np. słynna "szóstka" Alfy Romeo.

Niedokładność produkcji

Większość części składowych silnika to obrabiane odlewy lub odkuwki, które mają nieznacznie różniące się masy. Ponieważ masy poszczególnych elementów mają wpływ na wyważenie końcowe, szczególnie starannie wyrównuje się masy kompletnych tłoków i korbowodów poprzez ważenie i podział na grupy selekcyjne. Przed montażem wyważaniu poddaje się koło

zamachowe, wał korbowy oraz wał z zamontowanym kołem zamachowym. Wał korbowy silników 4-cylindrowych ważący kilkanaście kilogramów, wyważa się z dokładnością do 1 grama.

Żeby złagodzić skutki drgań jednostki napędowej, które przenoszą się na nadwozie, wytwórnie stosują rozmaite sposoby mocowania silnika. Oprócz zwyczajnych elementów stalowo-gumowych, używane są wyrafinowane mocowania eliminujące drgania, aż do "poduszki hydraulicznej" włącznie.

Stosowanie wielocylindrowych silników ma więc sens, z punktu widzenia kultury ich pracy. Projektując silnik o pojemności np. 2000 ccm dla auta popularnego konstruktor wybiera 4 cylindry w rzędzie, bo proces produkcji jest tani. Dla pojazdu eleganckiego trzeba wybrać coś elegantszego, np. układ widlasty pod kątem 60 stopni. Z punktu widzenia wyrównoważenia, rzędowe silniki 5-cylindrowe (Volvo) są tak samo kiepskie jak 4-cylindrowe.