Cylindry. Co trzeba wiedzieć?

Temat liczby cylindrów w silnikach samochodów osobowych pojawia się co jakiś czas i za każdym razem wywołuje powszechną dyskusję. Dzieje się to głównie w tych momentach, gdy pojawia się jakiś powszechny „cylindrowy” trend. Mamy taki właśnie teraz – sięganie po trzy- a nawet dwucylindrowe jednostki napędowe, które przez kilkadziesiąt lat praktycznie nie istniały na rynku. Co ciekawe, zmniejszanie liczby cylindrów wcale nie dotyczy jedynie tanich i popularnych aut, w wyższych klasach dzieje się podobnie. Oczywiście wciąż są samochody, których to nie dotyczy, bo liczba cylindrów jest w nich jednym z wyznaczników prestiżu.

Decyzja o tym, ile cylindrów będzie miał silnik konkretnego samochodu, zapada na etapie konstruowania auta. Zazwyczaj jest tak, że komora silnikowa przygotowana jest pod silniki o różnej liczbie cylindrów, choć zdarzają się wyjątki. Wielkość samochodu ma w tym przypadku zasadnicze znaczenie. Jednostka napędowa musi być na tyle silna, by zapewnić autu odpowiednią dynamikę, a przy tym na tyle oszczędna, by nie odstawać od konkurencji i by sprostać wymogom ekologicznym. Generalnie wiadomo – mały samochód ma mało cylindrów, a duży dużo. Ale ile konkretnie ? To zależy, obecnie przyjmuje się, by było ich jak najmniej.

Moment obrotowy, niezbędny do wytworzenia siły napędowej na kołach jezdnych powstaje w każdym z cylindrów. Trzeba zatem przyjąć odpowiednią ich liczbę, by uzyskać dobry kompromis między dynamiką a ekonomiką. We współczesnych silnikach przyjmuje się, że optymalna pojemność skokowa jednego cylindra to ok. 0,5-0,6 cm3. Dwucylindrowiec powinien mieć zatem pojemność ok. 1,0-1,2 litra, trzycylindrowiec 1.5-1.8, a czterocylindrowiec przynajmniej 2.0.

Konstruktorzy „schodzą” jednak poniżej tej wartości, przyjmując nawet 0,3-0,4 l. Głównie po to, by uzyskać niższe zużycie paliwa i mniejsze gabaryty silnika. Niższe spalanie to zachęta dla klientów, mniejsze rozmiary to mniejsza masa i mniejsze zużycie materiałów, a w konsekwencji niższe koszty produkcji. Jeśli zredukuje się liczbę cylindrów, a do tego zmniejszy ich rozmiary, to przy wielkoseryjnej produkcji zyski są potężne. Także dla środowiska naturalnego, bowiem fabryki samochodów są mniej materiało- i energochłonne.

Skąd bierze się optymalna pojemność pojedynczego cylindra na poziomie 0,5-0,6 l ? Z wyważenia pewnych wartości. Im większy cylinder tym większy wytworzy moment obrotowy, ale będzie się to odbywało wolniej. Masa elementów pracujących w cylindrze, takich jak tłok, sworzeń tłokowy i korbowód będzie większa, trudniej zatem będzie je rozpędzić. Przyrost obrotów nie będzie się odbywał tak sprawnie, jak w małym cylindrze. Im mniejszy cylinder tym łatwiej można osiągać wysokie obroty, bo masy tłoka, sworznia tłokowego i korbowodu są małe i łatwiej je rozpędzić. Ale mały cylinder nie wytworzy dużego momentu obrotowego. Trzeba zatem przyjąć pewną wartość pojemności skokowej pojedynczego cylindra, by oba te parametry były zadowalające w codziennej eksploatacji.

Jeśli przyjmie się pojemność skokową pojedynczego cylindra na poziomie 0,3-0,4 l, to trzeba w jakiś sposób „nadrobić” braki pojemnościowe. Obecnie powszechnie robi się to przy pomocy doładowania, zazwyczaj turbosprężarką albo turbosprężarką i sprężarką mechaniczną dla uzyskania wyższego momentu obrotowego przy niskich i średnich obrotach. Doładowanie pozwala „wtłoczyć” do komory spalania większą dawkę powietrza. Silnik otrzymuje wraz z nim więcej tlenu i sprawniej spala paliwo. Wzrasta moment obrotowy, a wraz z nim moc maksymalna, wartość wyliczana z momentu obrotowego i obrotów silnika. Dodatkowym orężem konstruktorów jest bezpośredni wtrysk benzyny, pozwalający spalać ubogie mieszanki paliwowo-powietrzne.

Takie małe silniki, 2- albo 3-cylindrowe, o pojemnościach 0.8-1.2, górują nad czterocylindrowcami nie tylko mniejszymi gabarytami, ale również mniejszymi oporami mechanicznymi i szybszym osiąganiem temperatury roboczej. Z każdym „odciętym” cylindrem zmniejsza się bowiem liczba części koniecznych do nagrzania a także będących w ruchu i generujących tarcie. Ale mniejsze silniki o mniejszej liczbie cylindrów mają też poważne problemy. Najważniejsze to komplikacja technologiczna (wtrysk bezpośredni, doładowanie, czasem podwójne doładowanie) oraz poważnie malejąca wraz ze wzrostem obciążenia sprawność. To dlatego są one oszczędne, gdy jeździ się nimi spokojnie, w zakresie niskich i średnich obrotów. Najlepiej, przy zachowaniu zasad eko-jazdy, jak sugerują nawet niektórzy producenci. Kiedy jazda staje się szybka i dynamiczna, a silnik często wkracza w zakres wysokich obrotów, zużycie paliwa gwałtownie rośnie. Bywa, że do poziomu wyższego niż w silnikach wolnossących o wyższej pojemności skokowej, większej liczbie cylindrów i porównywalnej dynamice.

Nic dziwnego, że niektórzy próbują szukać innych dróg prowadzących ku temu samemu celowi. Sięga się na przykład po nieco zapomniany pomysł wyłączania z pracy niektórych cylindrów. Przy małych obciążeniach silnika, zwłaszcza podczas jazdy ze stałą prędkością, zapotrzebowanie na moc jest znikome. Niewielki samochód dla przy stałej prędkości 50 km/h potrzebuje dla pokonania oporów toczenia i oporów aerodynamicznych zaledwie 8 KM. Po raz pierwszy wyłączane z pracy cylindry zastosował Cadillac w swoich silnikach V8 w 1981 r., ale szybko z niego zrezygnował. Potem „odłączane” cylindry miała Corvette, Mercedesy, Jeepy i Hondy. Z punktu widzenia ekonomiki eksploatacji idea jest bardzo interesująca. Gdy obciążenie silnika jest małe, część cylindrów przestaje pracować, nie jest dostarczane do nich paliwo i odcięty jest zapłon. Silnik V8 staje się albo silnikiem V6, albo nawet V4.

Teraz pomysł wdrożono do czterocylindrowca. W najnowszym wydaniu dodatkowe elementy wyłączające z pracy dwa z czterech cylindrów ważą zaledwie 3 kg, a dopłata za system wynosi 2000 zł. Ponieważ korzyści związane ze zmniejszeniem zużycia paliwa są niewielkie (ok. 0,4-0,6 l/100 km, przy stałej, wolnej jeździe do 1 l/100 km) szacuje się, że dla zamortyzowania dodatkowego wydatku trzeba przejechać prawie 100 tys km. Warto jednak zwrócić uwagę, że wyłączanie z pracy cylindrów nie wytrzymuje porównania z faktycznym zmniejszeniem liczby cylindrów. W „odłączonych” cylindrach co prawda odcięte są zasilanie i zapłon a także nie pracują zawory (pozostają zamknięte), ale tłoki wciąż pracują, generując tarcie. Opory mechaniczne silnika są niezmienne, dlatego po uśrednieniu zyski w zużyciu paliwa są tak niewielkie. Nie zmniejsza się masa jednostki napędowej oraz liczba elementów które trzeba wyprodukować, zmontować, a podczas pracy silnika doprowadzić do temperatury roboczej.

Dynamika i ekonomika to jednak nie wszystko. Od liczby cylindrów zależą też w dużej mierze kultura i odgłos pracy silnika. Nie wszyscy nabywcy tolerują dźwięk jaki generuje dwucylindrowiec albo trzycylindrowiec. Zwłaszcza, że większość kierowców przyzwyczaiła się przez lata do brzmienia silników czterocylindrowych. Istotny jest również fakt, że mówiąc w pewnym uproszczeniu większa liczba cylindrów sprzyja kulturze pracy silnika. Wynika to z różnego poziomu wyrównoważenia układów korbowych jednostek napędowych, które zwłaszcza w układach rzędowych dwu- i trzycylindrowych generują spore drgania. Dla poprawy sytuacji konstruktorzy stosują wałki wyrównoważające.

Czterocylindrowce pod względem drgań zachowują się dużo bardziej przyzwoicie. O w miarę popularnych silnikach niemal idealnie wyrównoważonych i pracujących „aksamitnie”, takich jak widlaste „szóstki” o kącie rozchylenia cylindrów 90º , wkrótce chyba będziemy mogli zapomnieć. Zastąpią je zapewne mniejsze i lżejsze czterocylindrowce, ku uciesze miłośników „ucinania” cylindrów, czyli tak zwanego „downsizingu”. Zobaczymy, jak długo bronić się będą pięknie pracujące silniki V8 i V12 w ekskluzywnych limuzynach i coupe. Są już pierwsze przykłady przejścia w kolejnej generacji modelu z widlastej „dwunastki” na widlastą „ósemkę”. Niezagrożona wydaje się być jedynie pozycja silników w autach klasy super-sport, gdzie można doliczyć się nawet szesnastu cylindrów.

Żaden cylinder nie jest pewien swojego jutra. Pogoń za redukcją kosztów i ekologią jest dzisiaj wręcz obsesyjny, bo owocuje mniejszym zużyciem paliwa i niższą emisją dwutlenku węgla. Tyle tylko, że niższe spalania to tak naprawdę tylko teoria, notowana w cyklach pomiarowych i wykorzystywana na potrzeby homologacji. A w życiu, jak to w życiu – bywa różnie. Przed rynkowymi trendami trudno jednak uciec. Analitycy motoryzacyjni przewidują, że do 2020 r. aż 52 % silników produkowanych na całym świecie silników będzie mieć pojemność skokową 1,0 – 1,9 l, przy czym te o mocy do 150 KM zadowalać się będą tylko trzema cylindrami. Miejmy nadzieję, że nikt nie wpadnie na pomysł zbudowania samochodu z jednym cylindrem.