Nie jest tajemnicą, że amerykańska motoryzacja zbudowana jest na potężnych silnikach. Ich potęga nie tkwi jednak w mocy, a pojemności. Był przecież taki okres w historii zaoceanicznej motoryzacji, w którym silniki o pojemności 5.5L określane były mianem małych (small block). Dlaczego więc pomimo ogromnych pojemności skokowych, motory te nie są najmocniejszymi jednostkami?

Skąd trend na ogromne silniki w USA?

W amerykańskiej motoryzacji lat 90. silniki o pojemności około czterech litrów były tak popularne, jak circa dwulitrowe jednostki w Europie. Czynników mających wpływ na taki stan rzeczy jest bardzo dużo, jednak nie sposób opisać je wszystkie, więc uwagę skupimy na tych najważniejszych.

Po pierwsze źródeł tego zjawiska należy szukać w historii. Podczas gdy Europa wyniszczona wojną zmuszona była do wydawania ogromnych pieniędzy na odbudowę, a obywatele ledwie wiązali koniec z końcem, w Stanach Zjednoczonych Ameryki rozpoczynał się złoty okres. USA stało się światowym producentem wielu dóbr ze względu na to, że fabryki w Europie zostały zniszczone w trakcie wojny. Skutkowało to wysokimi płacami nawet dla pracowników produkcyjnych najniższego szczebla, którzy chcieli kupować jak największe samochody z jak największymi silnikami. Gdy świat odbudował swoje moce produkcyjne, a płace pracowników produkcyjnych przestały rosnąć, ich motoryzacyjne upodobania nie uległy zmianom i wciąż oczekiwali oni wielkich aut.

Duże silniki utrzymały swoją popularność także później pomimo kryzysu paliwowego oraz stopniowego wprowadzania ekologii. Duży wpływ na to miały podatki. A mianowicie, samochody w Stanach nie podlegają ani nie podlegały opodatkowaniu na podstawie pojemności skokowej silnika. W USA podatek oparty jest na średnim zasięgu samochodu na jednym galonie (3.79L) paliwa. Dzięki takiemu prawodawstwu producenci nie skupiali się na konstruowaniu małych silników o dużej mocy, a skupili się na obniżeniu ilości spalanego paliwa.

Wielkie silniki – małe osiągi

Moc potężnych silników zza wielkiej kałuży jest nierzadko powodem żartów wśród miłośników europejskiej motoryzacji. Wszak np. w latach 90. europejski Ford Mondeo z silnikiem 2.0 DOHC generował 138 KM, co daje 69KM z litra, podczas gdy jeden z najpopularniejszych samochodów Forda lat 90. w USA, Ford Explorer, ze swoim 4 litrowym silnikiem generował zaledwie 160 KM, co daje równe 40 KM z jednego litra pojemności skokowej. A co ze spalaniem? Według danych producenta Ford Mondeo w cyklu mieszanym spalał 8.1L na 100km, a Ford Explorer na przejechanie tego samego dystansu potrzebował 13,2L. Gdzie w takim razie kryją się zalety potężnych amerykańskich silników?

Aby dotrzeć do sedna, należy w pierwszej kolejności zwrócić uwagę na aspekt geograficzny. Stany zjednoczone to wielki kraj, w którym wszystko jest daleko. Amerykańskie miasta nie posiadają ciasnych i krętych uliczek, a miejsca parkingowe dostosowane są do wielkich maszyn. Tamtejsi inżynierowie nie musieli więc opracowywać niewielkich miejskich samochodów, a skoncentrowali się na krążownikach szos, w których setki mil pokonywanych z autostradową prędkością nie stanowią problemu. Z tego względu konstrukcja silników także jest odmienna od jednostek europejskich czy azjatyckich.

Przestarzałe OHV – król niezawodności

Silnik górnozaworowy z wałkiem rozrządu w bloku silnika, ze względu na silny nacisk na downsizing w Europie, został wyparty przez silniki z jednym lub dwoma wałkami rozrządu w głowicy. Z kolei w Stanach Zjednoczonych to właśnie te silniki uchodzą za nieśmiertelne jednostki do zadań specjalnych i nie tylko. Dlaczego?

Duże silniki z wałkiem rozrządu w bloku pozwalają uzyskać wysoki moment obrotowy już od najniższych partii obrotów, dzięki czemu potężne krążowniki szos miały możliwość sprawnego rozpędzenia się do prędkości drogowych, a samochody sportowe za dotknięciem pedału gazu zwijały asfalt spod kół. Co bardzo istotne to w obu rodzajach samochodów wykorzystywane były niemalże te same silniki. Nawet współcześnie F-150, potężny Pick-Up ze stajni Forda, dzieli silniki ze sportowym Fordem Mustangiem. Jest to sposób na ograniczenie kosztów projektowania nowych silników oraz obniżenie ceny rynkowej tych samochodów. Stosowanie silników tej konstrukcji niesie za sobą także korzyści wynikające z niskich kosztów utrzymania i produkcji. Motory OHV mają znacznie prostszy układ rozrządu. Co za tym idzie, nie wymagają one drogich w produkcji części. Ponadto prosta konstrukcja tych silników minimalizuje koszty napraw, które właśnie ze względu na tę konstrukcję występują rzadziej niż w silnikach z wałkami w głowicy.

 – Interesującym przykładem kontynuowania tradycji amerykańskich dużych i niezawodnych silników jest najnowszy model Ford 7.3l Godzilla V8. Prócz rynku detalicznego jest on montowany do wszelkiego rodzaju pojazdów użyteczności publicznej. Jest to typowa, prosta konstrukcja OHV. Inżynierowie Forda deklarują minimalny przebieg silnika na 1 mln km. – powiedział Adam Kamińśki, diagnosta samochodów amerykańskich.

Dlaczego wielkie silniki OHV generują niewielką moc?

Odpowiedź na pytanie z nagłówka raczej nikogo nie zaskoczy. Mała moc wynika ze stosowania takiego, a nie innego układu rozrządu. Ze względu na swoją konstrukcję silniki w samochodach z USA posiadają znacznie niższe maksymalne obroty silnika. Dla przykładu: silnik 6.2L z Chevroleta Corvette z 2008 roku ma maksymalne obroty silnika wyznaczone na 6600 i generuje 436 KM, podczas gdy silnik 4.0 z BMW M3 kręci się do 8400 obrotów, osiągając moc 414 KM. Powodem takiej sytuacji jest wyższa masa części układu rozrządu, pomijając kwestie jego napędu. Silniki OHV posiadają jeden ciężki wałek rozrządu, który z zaworami połączony jest poprzez laski popychaczy i popychacze zaworowe, podczas gdy silniki z wałkami w głowicy posiadają niemal bezpośrednie połączenie z zaworami.

Drugim powodem niższej mocy tego typu silników jest brak możliwości stosowania technologii zmian faz rozrządu, które powszechnie stosowane są we współczesnych silnikach typu DOHC. Do tego dochodzi jeszcze kwestia liczby zaworów na cylinder. Ze względu na konstrukcję w silnikach OHV nie stosuje się układów czterozaworowych. Powoduje to, że przy wyższych obrotach silnika mają one niewystarczający przepływ gazów, co znacznie ogranicza ich potencjał.

Kolejnym aspektem wpływającym na moc amerykańskich silników jest kwestia symetrii w komorze spalania, a właściwie jej brak. Układ dwóch zaworów i świecy zapłonowej jest podyktowany przez rodzaj rozrządu. Tak, a nie inaczej ułożone podzespoły powodują ryzyko wystąpienia spalania stukowego przy wyższym stopniu sprężania. Stąd jednostki napędowe rodem z USA posiadają niższy stopień sprężania niż silniki z Europy czy Azji. Jest to jednak równocześnie ich zaletą. Silniki o niższym stopniu sprężania są mniej wyżyłowane, co pozytywnie wpływa na ich żywotność.

 – W drugiej połowie lat 70, w USA, zostały wprowadzone nowe normy emisji spalin, kładące spory nacisk na obniżenie emisji tlenków azotu (NOx). W silniku spalinowym ilość produkowanych NOx zależna jest od maksymalnej, występującej temperatury. Wraz ze wzrostem ciśnienia rośnie i temperatura, zgodnie z równaniem gazu doskonałego PV = nRT. Maksymalne ciśnienie, występujące w komorze spalania jest w głównej mierze skorelowane z mocą generowaną z pojemności. Z tego względu w celu obniżenia produkcji NOx najprostszym rozwiązaniem jest obniżenie mocy generowanej przez silnik z litra jego pojemności. Dokonuje się tego np. poprzez obniżanie stopnia sprężania, zmniejszanie czasu otwarcia zaworów, redukowanie wznosu zaworów czy dodawanie dodatkowych restrykcji w dolocie, lub wydechu. Bardzo dobrym przykładem takiego zjawiska jest silnik V8 8.2l OHV, występujący np. w Cadillacu Eldorado. Model przed wprowadzeniem nowych norm emisji spalin posiadał moc 340 KM, po ich wprowadzeniu, przy zachowaniu tej samej pojemności, już tylko 192 KM – mówi Adam Kamińśki.

Stosując analogię do świata sportu, można stwierdzić, że samochody europejskie to sprinterzy, a motoryzacja amerykańska opiera się na maratończykach. Przy obecnym rozwoju technologii wybór silnika nie polega już na decyzji, która z technologii jest lepsza. Obie mają wyraźne wady i zalety. Obecnie klienci podejmują wybór wyłącznie na podstawie własnych przekonań i sympatii.