Przesunięcie rzędów cylindrów silnika

silniki_widlaste2

Na powyższym rysunku silnik nr 1 to silnik widlasty charakteryzujący się przesunięciem rzędów cylindrów względem siebie. Silnik nr 2 to natomiast silnik widlasty charakteryzujący się brakiem przesunięcia rzędów cylindrów względem siebie.

 

Bardzo często oglądając schematyczne rysunki przedstawiające widoczny od góry silnik widlasty, widziałem na wspomnianych rysunkach lewe i prawe cylindry narysowane dokładnie obok siebie, bez żadnego przesunięcia względem siebie. Zastanawiało mnie to, bowiem z tego co wiedziałem, w silnikach widlastych o typowej konstrukcji, do jednego czopa korbowego przymocowane są dwa pojedyncze korbowody, współpracujące z tłokami przeciwległych cylindrów. Jednocześnie byłem przekonany że dwa korbowody umieszczone na jednym wykorbieniu, umieszczone są w taki sposób, że jeden korbowód znajduje się na przedniej części czopu korbowego, a drugi na tylnej części czopu korbowego, co powoduje przesunięcie rzędów cylindrów względem siebie. Pod pojęciem przesunięcie rzędów cylindrów względem siebie, mam na myśli sytuację kiedy w silniku widlastym lewe cylindry wysunięte są nieco do przodu względem prawych cylindrów (ewentualnie odwrotnie). Jakiś czas temu postanowiłem więc zagłębić się w temat i dowiedzieć się jak to jest z przesunięciem rzędów cylindrów względem siebie w silniku widlastym.

korbowody2

Na powyższym rysunku korbowody nr 1 to korbowody bliźniacze, korbowody nr 2 to korbowód widlasty i współśrodkowy, korbowody nr 3 to korbowód główny z korbowodem doczepnym, a korbowód nr 4 to korbowód niesymetryczny. Rysunek pochodzi z książki „Silniki wysokoprężne pojazdów szynowych” (autor: Władysław Matzke).

 

Po zagłębieniu się w temat, dowiedziałem się że występują zarówno silniki widlaste w których rzędy cylindrów są przesunięte względem siebie, jak i silniki widlaste w których nie ma wspomnianego przesunięcia. Jeśli w silniku widlastym występuje przesunięcie rzędów cylindrów względem siebie, jest to spowodowane zastosowaniem korbowodów bliźniaczych. Korbowody bliźniacze to opisane wcześniej rozwiązanie w którym na jeden czop korbowy przypadają dwa pojedyncze korbowody współpracujące z tłokami przeciwległych cylindrów, przy czym jeden korbowód umieszczony jest na przedniej części czopu korbowego, a drugi na tylnej części czopu korbowego. Aby zmniejszyć przesunięcie rzędów cylindrów względem siebie, korbowody bliźniacze mogą być niesymetryczne. Silnik widlasty może jednak nie mieć rzędów cylindrów przesuniętych względem siebie. Przy braku przesunięcia, silnik albo ma korbowody widlaste i współśrodkowe, albo korbowody główne z korbowodem doczepnym (przyczepnym korbowodem bocznym). Brak przesunięcia rzędów cylindrów umożliwia między innymi opracowanie nieznacznie krótszego silnika względem porównywalnego silnika charakteryzującego się przesunięciem. Jednak mimo tego że istnieją rozwiązania zapewniające w silniku widlastym brak przesunięcia rzędów cylindrów względem siebie, bardzo duża część silników widlastych charakteryzuje się przesunięciem rzędów cylindrów.

Reklamy
Przesunięcie rzędów cylindrów silnika

Widlasty sześciocylindrowy silnik PRV

Widlasty sześciocylindrowy (V6) samochodowy silnik PRV (Peugeot Renault Volvo) to ciekawy temat na wpis, biorąc pod uwagę historię rozwoju tego silnika, nietypowe rozwiązania konstrukcyjne w nim zastosowane i kontrowersje jakie silnik ten budzi. Silnik PRV był wynikiem współpracy firm Peugeot, Renault i Volvo, przy czym początkowo, w latach 60., współpraca dotyczyła jedynie firm Peugeot i Renault. W 1966r firmy Peugeot i Renault nawiązały porozumienie w sprawie produkcji wspólnych części, natomiast w 1969r Peugeot i Renault założyły spółkę La Française de Mécanique (FM). Należąca do spółki FM fabryka została zbudowana w mieście Douvrin na północy Francji. W 1971r współpracę z Peugeotem i Renault nawiązała firma Volvo, co doprowadziło do powstania spółki PRV (Peugeot Renault Volvo), która miała produkować widlaste silniki ośmiocylindrowe (V8). To właśnie prace nad benzynowymi samochodowymi silnikami V8 doprowadziły do powstania benzynowego samochodowego silnika V6 określanego mianem PRV. Dobrze też zaznaczyć że w ostatecznym rozrachunku spółka PRV nie rozpoczęła seryjnej produkcji silnika V8. Czemu zamiast silnika V8 do produkcji wprowadzono silnik V6? Otóż pierwsza połowa lat 70. to kryzys paliwowy, który spowodował spadek zapotrzebowania na samochody z silnikami o dużej pojemności, a do tego typu silników zalicza się znaczna większość samochodowych silników V8. Również wysokie opłaty za samochody z silnikami o większej pojemności niż 2,8 litra były powodem dla którego nie wprowadzono do produkcji silnika V8. Kolejny powód dla którego zamiast silnika V8, do produkcji wprowadzono silnik V6, to zapotrzebowanie firmy Renault na silnik V6, przeznaczony do samochodu Renault 30. Maszyny umożliwiające produkcję silników dostarczono w 1973r do fabryki znajdującej się w mieście Douvrin, budowę budynków przeznaczonych do produkcji silników ukończono w 1974r. Pierwszy samochód z silnikiem PRV pojawił się w sprzedaży w 1974r, samochodem tym było Volvo 264.

 

Silnik PRV miał układ V6, ale wywodził się z prac prowadzonych nad silnikiem V8, stąd też silnik PRV charakteryzował się dość nietypową konstrukcją jak na widlasty silnik sześciocylindrowy. Zdecydowana większość silników V6 ma kąt rozwarcia cylindrów wynoszący 60°, podczas gdy silnik PRV miał kąt rozwarcia cylindrów wynoszący 90°, charakterystyczny dla silników V8. Układ V6, kąt rozwarcia cylindrów wynoszący 90°, oraz jednocześnie wał korbowy z jednolitymi (nie wiem niestety jakie inne określenie zastosować) czopami korbowodów, powodowały że początkowo silnik PRV charakteryzował się nieparzystymi zapłonami (w języku angielskim nieparzyste zapłony określane są jako odd firing i uneven firing). Późniejsze wersje silnika PRV, produkowane od lat 80., miały dzielone czopy korbowodów (ponownie, nie wiem jakie określenie w języku polskim zastosować, po angielsku tego typu czopy korbowodów określane są mianem split crankpins), co zaowocowało parzystymi zapłonami (w języku angielskim parzyste zapłony określane są mianem even firing). Dzięki parzystym zapłonom udało się uzyskać spokojniejszą pracę silnika. Pierwszym samochodem który otrzymał silnik PRV w wersji z parzystymi zapłonami było Renault 25 Turbo, przy czym silnik PRV zastosowany w tym samochodzie był turbodoładowany, w przeciwieństwie do znacznej większości silników PRV. Renault 25 Turbo z turbodoładowanym parzysto zapłonowym silnikiem PRV było dostępne od 1984r. Innym samochodem który dość wcześnie otrzymał parzystą zapłonową wersję silnika PRV był Peugeot 505. Tym razem była to wolnossąca wersja silnika PRV. Wolnossący parzysto zapłonowy silnik PRV był dostępny w Peugeocie 505 od 1986r.

 

Silnik PRV miał głowicę, kadłub i skrzynię korbową wykonane ze stopu aluminium. Wał korbowy wykonano jako żeliwny odlew. Silnik był chłodzony cieczą. Zdecydowana większość silników PRV to silniki wyposażone w dwa zawory na cylinder (łącznie 12 zaworów) i charakteryzujące się układem rozrządu z jednym wałkiem rozrządu umieszczonym na głowicy (SOHC). Silnik miał dwie głowice, stąd też dwa wałki rozrządu. Napęd wałka rozrządu odbywał się przy pomocy łańcucha, na każdy z wałków rozrządu przypadał oddzielny łańcuch. Najczęściej spotykane wersje silnika PRV to silniki wolnossące. Pojemność skokowa silnika, zależnie od jego wersji, wynosiła od 2,4 litra do 3,0 litra. Wolnossące silniki PRV charakteryzowały się mocą w okolicach 130-150 koni mechanicznych. Zasilanie silnika PRV, w zależności od wersji silnika, odbywało się przy pomocy gaźników, lub pośredniego wtrysku benzyny. Gaźnikowe silniki PRV, stosowane w samochodach Peugeot, wyposażone były w dwa różne gaźniki, przypadające na jeden kolektor dolotowy, wspólny dla obu rzędów cylindrów. Jeden z gaźników był jednogardzielowy i zasilał silnik przy niewielkim obciążeniu, drugi z gaźników był dwugardzielowy i przy dużym obciążeniu silnika podawał do silnika większość mieszkanki paliwowo powietrznej. Silniki PRV zasilane przy pomocy pośredniego wtrysku benzyny wykorzystywały układ wtryskowy Bosh K-Jetronic lub Renault-Bendix. Silnik PRV występował w wersjach wyposażonych w katalizator.

 

Obok zwykłych wolnossących 12 zoworowych silników PRV istniały wersje turbodoładowane tego silnika. Turbodoładowane silniki PRV stosowane były między innymi w samochodach marki Renault. Zazwyczaj turbodoładowane silniki PRV miały jedną turbosprężarkę, ale istniały również silniki wyposażone w dwie turbosprężarki, czego przykładem silnik PRV zastosowany w samochodzie Renault Safrane Biturbo, wykorzystujący dwie turbosprężarki w układzie doładowania równoległego. W firmie Peugeot opracowano natomiast turbodoładowaną wersję silnika PRV z czterema zaworami na cylinder (łącznie 24 zawory), charakteryzującą się dwoma wałkami rozrządu na głowicy (DOHC). Silnik miał dwie głowice, stąd też na silnik przypadały cztery wałki rozrządu. Turbodoładowany silnik PRV z czterema zaworami na cylinder został opracowany aby napędzać samochody wyścigowe przeznaczone do wyścigów długodystansowych. Samochód WM Peugeot P88, napędzany 24 zaworowym turbodoładowanym silnikiem PRV, w 1988r, podczas 24 godzinnego wyścigu Le Mans, pobił rekord prędkości, osiągając prędkość 407 kilometrów na godzinę. Według mnie dobrze zaznaczyć że po osiągnięciu prędkości 407 kilometrów na godzinę silnik uległ zniszczeniu.

 

Wyprodukowano 970.315 egzemplarzy silnika PRV. Silnik ten produkowany był od 1974r do 1998r, co daje prawie 25 lat produkcji. Stąd też silnik PRV może występować zarówno w samochodzie zabytkowym, czego przykładem Peugeot 504 Coupe, jak i w samochodzie który nie jest nawet youngtimerem, czego przykładem Renault Laguna generacji pierwszej. Dobrze jednak zaznaczyć że silnik PRV z Peugeota 504 Coupe będzie się różnił od silnika PRV z Renault Laguny I, biorąc pod uwagę choćby wprowadzenie w latach 80. silników PRV z parzystymi zapłonami. Silnik PRV jest kontrowersyjny. Spotkałem się zarówno ze stwierdzeniami zgodnie z którymi silnik ten był tak „udany” że żadna z firm biorących udział przy jego tworzeniu (Peugeot, Renault, Volvo) nie chce się przyznać do odpowiedzialności za powstanie tego silnika, jak i ze stwierdzeniami zgodnie z którymi choć nie był to silnik idealny, to jednak nie był to silnik nieudany. Bliżej mi do tych drugich stwierdzeń. W mojej ocenie gdyby silnik PRV był kompletnie nieudany, nie produkowano by go od lat 70. do lat 90., nie wyprodukowano by też prawie miliona egzemplarzy tego silnika. Ciekawa jest w mojej ocenie teza zgodnie z którą o ile wolnossące silniki PRV dość dobrze nadawały się do napędzania zwykłych samochodów klasy średniej i wyższej średniej, takich jak Peugeot 505 czy Peugeot 604, to jednocześnie słabo nadawały się do napędzania samochodów sportowych, takich jak DeLorean DMC-12 znany z filmu Powrót do przyszłości. Był bym skłonny uznać tę tezę za zgodną z rzeczywistością, bowiem o ile generowaną przez wolnossące silniki PRV moc w okolicach 130-150 koni mechanicznych można uznać za wystarczającą dla samochodów klasy średniej i wyższej średniej z lat 70., 80., i 90., to taka moc jest mała jak na prawdziwy samochód sportowy, również taki sprzed wielu lat. Silnik PRV został w samochodach francuskich zastąpiony nowszym, wolnossącym benzynowym silnikiem V6, zaprojektowanym w latach 90. przez firmy PSA (Peugeot, Citroen) i Renault. Nowszy silnik V6, występujący w samochodach produkowanych przez koncern PSA pod oznaczeniem ES9, a w samochodach produkowanych przez firmę Renault pod oznaczeniem L7X, ma kąt rozwarcia cylindrów wynoszący 60°. Silnik ten charakteryzuje się czterema zaworami na cylinder, co daje łącznie 24 zawory. Silnik ES9/L7X ma pojemność skokową 2,9 litra i generuje moc w okolicach 200 koni mechanicznych (istnieją starsze wersje, generujące nieznacznie mniej niż 200 koni mechanicznych, oraz nowsze wersje, generujące nieznacznie więcej niż 200 koni mechanicznych).

Widlasty sześciocylindrowy silnik PRV

Moment obrotowy silnika Diesla

Często spotykam się z tezą zgodnie z którą silnik Diesla ma większy moment obrotowy od silnika benzynowego. Czy ta teza jest jednak prawdziwa? Cóż, aby porównanie było uczciwe pod względem technicznym, należy w mojej ocenie porównać wolnossący silnik Diesla do wolnossącego silnika benzynowego, ewentualnie turbodoładowany silnik Diesla do turbodoładowanego silnika benzynowego. Porównanie wolnossącego silnika benzynowego do wolnossącego Diesla jest w mojej ocenie nieuczciwe pod względem technicznym, bowiem przy takim porównaniu różnica w momencie obrotowym może wynikać nie z Dieslowatości silnika wysokoprężnego, a z obecności turbodoładowania. Podobnie za nieuczciwe pod względem technicznym uważam porównanie wolnossącego silnika wysokoprężnego do turbodoładowego silnika benzynowego. Porównajmy więc dwa silniki wolnossące o takiej samej pojemności, jeden benzynowy, drugi wysokoprężny, oba montowane w samochodzie Peugeot 405.

– wolnossący ośmiozaworowy czterocylindrowy rzędowy silnik benzynowy o pojemności 1,9 litra (1905 centymetrów sześciennych) z elektronicznym wtryskiem paliwa ma maksymalną moc 127 KM przy 5500 obr/min i maksymalny moment obrotowy 175 Nm przy 4500 obr/min

– wolnossący ośmiozaworowy czterocylindrowy rzędowy silnik Diesla o pojemności 1,9 litra (1905 centymetrów sześciennych) ma maksymalną moc 71 KM przy 4600 obr/min i maksymalny moment obrotowy 119 Nm przy 2000 obr/min

 

Widać że silnik benzynowy osiąga nie tylko wyraźnie większą maksymalną moc, ale również wyraźnie większy maksymalny moment obrotowy. Jednak widać również że silnik benzynowy osiąga swój maksymalny moment obrotowy przy większych obrotach niż obroty przy jakich maksymalny moment obrotowy osiąga silnik Diesla. Czy to oznacza że wolnossący Diesel ma przy niskich obrotach większy moment obrotowy od wolnossącego silnika benzynowego pracującego na równie małych obrotach? Otóż nie. Jak porównać wolnossący silnik benzynowy do wolnossącego silnika Diesla, przy założeniu że oba silniki mają podobną pojemność i są na podobnym poziomie zaawansowania technicznego, silnik benzynowy będzie miał większy moment obrotowy już nieznacznie powyżej obrotów biegu jałowego, przy czym im wyższe będą obroty obu silników, tym przewaga momentu obrotowego silnika benzynowego będzie większa. Wyjątek mogą stanowić niektóre silniki benzynowe o sportowej (wysokoobrotowej) charakterystyce, nie osiągające dużego momentu obrotowego przy niskiej i średniej prędkości obrotowego. Skąd więc wzięło się przekonanie o większym momencie obrotowym silnika Diesla? Według mnie wzięło się z tego że turbodoładowanie wcześniej zaczęto na bardzo dużą skalę stosować w silnikach Diesla, niż w silnikach benzynowych. Jeszcze nie tak dawno temu samochodowy silnik Diesla miał prawie zawsze turbosprężarką, a samochodowy silnik benzynowy był prawie zawsze silnikiem benzynowym. Dokonajmy więc porównania turbobenzyny do turbodiesla, przy założeniu że silniki będą miały taką samą pojemność i będą na podobnym poziomie zaawansowania technicznego. Do porównania ponownie posłużą silniki montowane w Peugeocie 405.

– wolnossący ośmiozaworowy czterocylindrowy rzędowy silnik benzynowy o pojemności 1,9 litra (1905 centymetrów sześciennych) z elektronicznym wtryskiem paliwa ma maksymalną moc 127 KM przy 5500 obr/min i maksymalny moment obrotowy 175 Nm przy 4500 obr/min

– turbodoładowany ośmiozaworowy czterocylindrowy rzędowy silnik Diesla o pojemności 1,9 litra (1905 centymetrów sześciennych) ma maksymalną moc 92 KM przy 4000 obr/min i maksymalny moment obrotowy 196 Nm przy 2250 obr/min. Silnik bez chłodnicy międzystopniowej (intercoolera)

 

Jak widać, nie dość że turbodoładowany Diesel ma większy maksymalny moment obrotowy, to jeszcze osiąga go przy niższych obrotach w porównaniu do obrotów przy jakich silnik benzynowy osiąga swój maksymalny moment obrotowy. Przy czym o ile porównanie turbodiesla do wolnossącej benzyny ma w mojej ocenie mały sens techniczny, to ma spory sens praktyczny, bowiem jak już wspomniałem, był okres czasu kiedy silniki benzynowe były zazwyczaj wolnossące, a silniki Diesla były zazwyczaj turbodoładowane, tym samym osoba nabywająca samochód często miała i ma wybór pomiędzy samochodem z wolnossącym silnikiem benzynowym, a samochodem z turbodoładowanym silnikiem Diesla. Teraz porównajmy tubobenzynę do turbodiesla. Ponownie silniki o podobnej pojemności i na podobnym poziomie zaawansowania technicznego montowane w Peugeocie, tym razem w Peugeocie 406.

– turbodoładowany ośmiozaworowy czterocylindrowy rzędowy silnik benzynowy o pojemności 2 litrów (1998 centymetrów sześciennych) z elektronicznym wtryskiem paliwa ma maksymalną moc 147 KM przy 5300 obr/min i maksymalny moment obrotowy 235 Nm przy 2500 obr/min. Silnik bez chłodnicy międzystopniowej (intercoolera)

– turbodoładowany ośmiozaworowy czterocylindrowy rzędowy silnik Diesla o pojemności 2 litrów (1997 centymetrów sześciennych) ma maksymalną moc 90 KM przy 4000 obr/min i maksymalny moment obrotowy 205 Nm przy 1900 obr/min. Silnik bez chłodnicy międzystopniowej (intercoolera)

– turbodoładowany ośmiozaworowy czterocylindrowy rzędowy silnik Diesla o pojemności 2 litrów (1997 centymetrów sześciennych) ma maksymalną moc 109 KM przy 4000 obr/min i maksymalny moment obrotowy 250 Nm przy 1750 obr/min. Silnik z chłodnicą międzystopniową (intercoolerem)

 

Przedstawiona turbobenzyna wypada porównywalnie pod względem momentu obrotowego do przedstawionych turbodiesli, przy czym turbodoładowana benzyna osiąga swój maksymalny moment obrotowy przy wyższych obrotach od obrotów przy jakich swój maksymalny moment obrotowy osiągają turbodoładowana Diesle. Co do momentu obrotowego generowanego przez turbodiesle i turbobenzyny przy niskich obrotach, turbodiesle zazwyczaj uważane są za silniki generujące dość duży moment obrotowy przy niskich obrotach, podczas gdy w przypadku turbobenzyn istnieją zarówno silniki o sportowej (wysokoobrotowej) charakterystyce, nie osiągające dużego momentu obrotowego przy niskich obrotach, jak i silniki osiągające dość duży moment obrotowy przy niskiej prędkości obrotowej.

Dodam że według mnie przekonanie o tym że silnik Diesla ma większy moment obrotowy od silnika benzynowego wzięło się nie tylko z porównywania turbodiesli do wolnossących benzyn, ale również z tego że w niektórych samochodach najmniejszy dostępny silnik benzynowy miał mniejszą pojemność od najmniejszego dostępnego silnika Diesla. Przykładowo w Peugeocie 405 nie było dostępnego silnika Diesla o mniejszej pojemności niż 1,7 litra, podczas gdy najmniejszy silnik benzynowy miał pojemność 1,4 litra. Tym samym pewnie istnieli ludzie porównujący moment obrotowy niewielkiego silnika benzynowego do momentu obrotowego dość dużego silnika Diesla. Porównajmy więc wolnossący silnik benzynowy o małej pojemności, do wolnossącego silnika Diesla o dość dużej pojemności, przy założeniu że oba silniki stoją na podobnym poziomie rozwoju technicznego. Za przykład posłużą silniki montowane w Peugeocie 405.

– wolnossący ośmiozaworowy czterocylindrowy rzędowy silnik benzynowy o pojemności 1,4 litra (1360 centymetrów sześciennych) z gaźnikiem ma maksymalną moc 76 KM przy 5800 obr/min i maksymalny moment obrotowy 115 Nm przy 3600 obr/min

– wolnossący ośmiozaworowy czterocylindrowy rzędowy silnik Diesla o pojemności 1,9 litra (1905 centymetrów sześciennych) ma maksymalną moc 71 KM przy 4600 obr/min i maksymalny moment obrotowy 119 Nm przy 2000 obr/min

 

Przedstawiony dość duży wolnossący silnik Diesla ma nieznacznie większy maksymalny moment obrotowy od przedstawionego niewielkiego wolnossącego silnika benzynowego. Dodatkowo przedstawiony silnik Diesla osiąga maksymalny moment obrotowy przy mniejszych obrotach od obrotów przy jakich swój maksymalny moment obrotowy osiąga przedstawiony silnik benzynowy. Można tym samym przyjąć że jeśli oba silniki będą pracowały na niskich obrotach, to przedstawiony dość duży silnik wysokoprężny powinien mieć większy moment obrotowy od przedstawionego stosunkowo niewielkiego silnika benzynowego

Moja konkluzja tych porównań jest taka że silnik Diesla może mieć wyraźnie większy maksymalny moment obrotowy od silnika benzynowego, ale przy porównaniu w mojej ocenie nieuczciwym pod względem technicznym. Przykładowo przy porównaniu turbodiesla do wolnossącej benzyny, lub przy porównaniu silnika Diesla o dużej pojemności do silnika benzynowego o małej pojemności. Jednak jeśli zrobić uczciwe pod względem technicznym porównanie wolnossącego Diesla do wolnossącej benzyny, lub turdbodiesla do turbobenzyny, przy założeniu że silniki mają podobną pojemność i są na podobnym poziomie rozwoju technicznego, to silnik Diesla nie będzie mieć większego maksymalnego momentu obrotowego od silnika benzynowego, a może i wystąpić sytuacja w której silnik Diesla będzie miał mniejszy maksymalny moment obrotowy od silnika benzynowego.

Moment obrotowy silnika Diesla