Nie tylko wśród inżynierów i konstruktorów, ale także wśród użytkowników, często poruszanym tematem jest to, jakie główne wymiary powinien mieć silnik, aby być najbardziej wydajną, sprawną i żywotną jednostką napędową w danej kategorii. W tym artykule przedstawimy podstawowe kwestie konstrukcyjne, w oparciu o które określa się stosunek średnicy cylindra do skoku tłoka, liczbę cylindrów, czy też ich rozmieszczenie.

Liczba i rozmieszczenie cylindrów

W przypadku liczby i układu cylindrów w samochodach osobowych, na przestrzeni lat rozwinęły się ciekawe trendy techniczne, za którymi podąża większość zespołów konstrukcyjnych. Oczywiście istnieją wyjątki, którymi zajmiemy się później. Omówimy również kwestię tzw. „downsizingu”,

Ogólnie rzecz biorąc, silniki jednocylindrowe nie są i nigdy nie były używane do napędzania samochodów osobowych. Jest ku temu kilka powodów.

Z jednej strony, zwiększając liczbę cylindrów, mamy możliwość zwiększenia osiągów przy stałej pojemności skokowej. Mniejsze części są łatwiejsze w produkcji i bardziej niezawodne. Ponadto wydajniejsze jest chłodzenie, ponieważ wzrost pojemności skokowej równa się wzrostowi rozmiarów podniesionemu do potęgi trzeciej, podczas gdy wzrost powierzchni chłodzenia równa się wzrostowi rozmiarów podniesionemu do potęgi drugiej. Ponadto w przypadku większej liczby cylindrów obrót wału korbowego jest bardziej równomierny i pozbawiony wibracji. Dzięki różnym układom cylindrów mamy więcej możliwości kształtowania zewnętrznych wymiarów, co zwiększa stopień wykorzystania dostępnej objętości.

Liczba cylindrów a główne wymiary silnika

Liczba cylindrów ma znaczący wpływ na ostateczną konstrukcję silnika. Podczas procesu planowania, główne wymiary można określić, obliczając pojemność skokową.

Ważne jest, aby pamiętać, że przyjmując podstawowe założenia do obliczeń, należy zawsze brać pod uwagę, że mogą one zostać spełnione tylko wtedy, gdy spełnione są określone warunki. Na przykład, wysoka pojemność może być osiągnięta tylko w przypadku silnika wysokoobrotowego i średniociśnieniowego.

Wydajność i liczba cylindrów

Liczba cylindrów ma bezpośredni wpływ na dwa ogólne parametry silników spalinowych: pojemność skokową i prędkość obrotową. Przy zachowaniu tej samej pojemności skokowej, zwiększenie liczby cylindrów umożliwia zwiększenie prędkości, o ile nie wpłynie to negatywnie na wymianę ładunku w cylindrze lub proces spalania.

Powstają pytania: w jakim stopniu wydajność wzrasta wraz ze zwiększaniem liczby cylindrów i jak długo można zwiększać liczbę cylindrów?

Zgodnie z obecną wiedzą, moc silnika wzrasta proporcjonalnie do pierwiastka sześciennego liczby cylindrów przy niezmienionej pojemności skokowej, a średnica cylindra zmniejsza się w odwrotnej proporcji.

Z tego możemy wyciągnąć wniosek, że im bardziej zwiększamy liczbę cylindrów, tym mniej dodatkowej mocy możemy uzyskać z silnika. Powyżej 10-12 cylindrów koszt produkcji wzrasta do tego stopnia, że nie opłaca się zwiększać dalej ich liczby.

Analogicznie, czterocylindrowe silniki stosowane w samochodach pasażerskich nie osiągają pojemności powyżej 2-2,5 litra, ponieważ rosnące rozmiary tłoków zbytnio zwiększają nierównowagę masy przy wyższych obrotach, co skutkuje koniecznością znacznego ograniczenia prędkości.

Pod względem geometrii silniki czterocylindrowe są konstrukcjami dalekimi od ideału, wersje sześciocylindrowe są mu znacznie bliższe. Ich balans masy nie wymaga korekty, charakteryzują się niezwykle równomiernym i miarowym działaniem. W ogólnym rozrachunku nigdy nie znalazły jednak szerszego zastosowania, ponieważ koszty ich produkcji są znacznie wyższe – co najmniej 50%. Wynika to z konieczności bardziej skomplikowanej konstrukcji wału korbowego, a także zapewnienia jednoosiowości dla większej liczby łożysk.

Niektórzy producenci (Volvo, Volkswagen, Mercedes, Audi itp.) znaleźli rozwiązania kompromisowe, wprowadzając silniki pięciocylindrowe (do dziś obecne w niektórych modelach), które nie są tak płynne jak sześciocylindrowe, ani tak tanie jak czterocylindrowe, ale posiadają również swoje zalety.

Układ cylindrów

W pierwszych dziesięcioleciach dziedziny konstruowania samochodów, na drogach pojawiły się silniki o dość zdumiewających rozmiarach i liczbie cylindrów: były dostępne silniki 16- i 18-cylindrowe, a następnie w połowie XX w. potwory te zostały wyparte przez modele o znacznie rozsądniejszej liczbie cylindrów – żaden z nich nie miał więcej niż 8.

Pomimo zjawiska downsizingu, samochody sportowe i luksusowe nadal wykorzystują silniki 8-, 10- i 12-cylindrowe, a niektórzy producenci (Bugatti) przywrócili nawet silniki 16-cylindrowe.

Z drugiej strony, do tej pory opracowano wiele rozwiązań w zakresie układu cylindrów, z których najważniejsze prezentujemy poniżej:

Układ rzędowy

Najpopularniejsza, najstarsza forma układu. Najpopularniejszą formą jest nadal rzędowa wersja czterocylindrowa, chociaż wersje trzycylindrowe zyskują na popularności ze względu na wspomniany już downsizing. Silniki pięciocylindrowe także stosują to rozwiązanie. W samochodach wyścigowych Grand Prix preferowano również rzędowe silniki ośmiocylindrowe, ale z czasem zniknęły one z rynku, ponieważ długi wał korbowy byłby zbyt podatny na drgania skrętne ze względu na zwiększone obroty.

Dużą zaletą jest tutaj łatwy dostęp i łatwiejsza konserwacja. Zmniejszenie wysokości i lepsze wykorzystanie przestrzeni, uzyskuje się poprzez pochylenie silników pod pewnym kątem. W niektórych obszarach zastosowań (na przykład w autobusach niskopodłogowych) kąt ten może wynosić 90 stopni: wtedy mówimy o silniku poziomym.

Układ widlasty (w kształcie „V”)

Typ układu dwurzędowego, w którym dwa przeciwległe cylindry napędzają wspólny wał korbowy. Obecnie silniki sportowe i wyścigowe wykorzystują tę wersję niemal bez wyjątku, ponieważ jest ona bardzo kompaktowa przy jednakowej pojemności skokowej, dzięki czemu jej osiągi na jednostkę objętości są znakomite.

Bloki silników V2 są często wykorzystywane w motocyklach, a zdecydowana większość samochodów mieści się w zakresie od V6 do V12. Kąt cylindra jest dość zmienny i wynosi 45, 55, 60, 80, 90 lub 180 stopni.

„Bokser”

W silniku typu „bokser” kąt nachylenia przeciwległych cylindrów wynosi 180 stopni. Ten typ silnika nie jest jednak identyczny z silnikami widlastymi 180 stopni, gdyż tutaj każdy rząd cylindrów obsługuje oddzielny wał korbowy. Dzięki temu przeciwległe cylindry pracują w przeciwnych fazach, co nadaje silnikowi charakterystyczny dźwięk.

Jego wydajność objętościowa nie osiąga wskaźników równych silnikom typu „V”, ale pomaga utrzymać niski środek masy samochodu. Ze względu na kosztowną produkcję, niewiele marek przyjęło ten układ cylindrów w dłuższej perspektywie (Subaru, Porsche), ale rozwiązanie to stało się ich znakiem rozpoznawczym.