Budowa silnika.doc

Budowa silnika

Silniki VR6 i W Volkswagena

VR6 pierwszej generacji

Silniki sześciocylindrowe, obojętnie czy w układzie V czy rzędowe, mają dużo wyższą kulturę pracy od rzędowych czterocylindrowców ponieważ równoważone są w nich siły pierwszego i drugiego stopnia. Jednak w większości małych samochodów nie ma wystarczająco dużo miejsca, aby zmieścić sześciocylindrowy silnik. Większość samochodów z powodu oszczędności miejsca posiada silnik z przodu i napęd na przednie koła, tzw. układ FF.  Silnik, sprzęgło, skrzynia biegów, układ różnicowy są z przodu wraz z akumulatorem, klimatyzacją, pompą ABS, serwo i układem kierowniczym. Z tego względu niełatwo zmieścić tam silnik sześciocylindrowy, a już szczególnie rzędową szóstkę, która jest za długa do FF, ponieważ sprzęgło i skrzynia muszą znajdować się zaraz obok silnika. Nawet w dużym Volvo S80 musiano zastosować specjalną, kompaktową skrzynię biegów. V6 jest lepszym rozwiązaniem ponieważ jest dużo krótszy. 

Bez wątpienia silniki w małych samochodach muszą być montowane poprzecznie, o ile nie jest to BMW serii 3, które ma długą komorę silnika (ale słabe wykorzystanie miejsca). Ale nawet montaż poprzeczny nie gwarantuje wciśnięcia V6. Szerokość V6 jest co najmniej dwukrotnie większa niż rzędowej szóstki, w zależności od kąta nachylenia cylindrów (zazwyczaj 60° lub 90°), więc i tak zajmuje ona więcej miejsca w komorze silnika. Co więcej, gorące rury wydechowe po bokach każdego rzędu cylindrów nie pozwalają na umieszczenie w ich pobliżu innych komponentów, wymagając nieco więcej wolnej przestrzeni. Z tych względów nie stosuje się w małych samochodach silników V6. 

W 1991 Volkswagen zaprezentował przełomowe rozwiązanie. Był to silnik V6 o wąskim kącie rozwarcia cylindrów (15°) o pojemności aż 2.8 litra zainstalowany w Golfie 3 generacji. Jak widać na zdjęciu VR6 jest rzeczywiście bardzo zwarty, prawie tak wąski jak rzędowa czwórka i niewiele od niej dłuższy. Można go było montować w małych samochodach jak np. Polo (ale nie montowano z powodu ceny). Stosowano go w Mercedesie klasy V, którego krótka komora silnika nie mieściła mercedesowskiego V6. W VR6 można było zastosować tak wąski kąt rozwarcia cylindrów bez ich nachodzenia na siebie ponieważ były one rozmieszczone dość daleko od siebie, co widać na zdjęciu. To nieuchronnie zwiększało długość silnika ale i tak wynosiła ona zaledwie 4 1/2 cylindra w porównaniu do 3 i 1/2 cylindra w V6. W większości przypadków taka długość była do zaakceptowania. 

Konfiguracja asymetryczna

Inna bardzo ważną cechą VR6 jest jego asymetryczność (wykorzystana w 24-zaworowym VR6 i silnikach W). W konwencjonalnym silniku V6 jeden rząd cylindrów jest lustrzanym odbiciem drugiego, dolot znajduje się od wewnątrz V a rury wydechowe na zewnątrz V. (nie odwrotnie, gdyż nie można umieścić bardzo gorących rur wydechu wewnątrz V) 

Symetryczny V6                                        Asymetryczny VR6 

VR6 ma dolot z jednej strony a wylot z drugiej WSZYSTKICH cylindrów, więc nie jest to konstrukcja symetryczna. Normalnie kanały dolotowe znajdują się nad silnikiem więc nie marnują miejsca - najwięcej miejsca zajmują gorące rury wydechu, szczególnie, że wymagają one nieco wolnej przestrzeni, aby nie przegrzały znajdujących się obok komponentów. W VR6 wszystkie rury wydechowe znajdują się po jednej stronie a więc oszczędzają miejsce. 

Nie można tego rozwiązania zastosować w konwencjonalnym V6 ponieważ cylindry są tak gęsto upakowane, że nie ma miejsca na przebiegi rur z jednej strony na drugą.  

Rozrząd

Pierwsza generacji VR6 miała po 2 zawory na cylinder i jeden wałek rozrządu na każdy rząd cylindrów (czyli SOHC), chociaż oba wałki są tak blisko siebie, że wygląda to jak rozrząd DOHC. 

Głowica i blok

Pod wieloma względami VR6 jest skonstruowany jak zwykły silnik rzędowy. Dzięki wąskiemu kątowi rozwarcia oba rzędy cylindrów mieszczą się w jednym bloku. Także pojedyncza głowica mieści cały rozrząd. Konwencjonalny V6 jest zbudowany z 2 głowic i 2 bloków. W rezultacie VR6 jest nie tylko mniejszy ale i lżejszy. Byłby także tańszy, gdyby nie konieczność stosowania wału korbowego ułożyskowanego w 7 miejscach. 

24-zaworowy VR6

Podczas gdy cały świat fascynował się silnikami o czterech zaworach na cylinder, Volkswagenowski VR6 (również V5) dalej posiadał rozrząd SOHC o dwóch zaworach na cylinder, aż do prezentacji drugiej generacji VR6 w czerwcu 1999. Można się dziwić czemu opracowanie 24-zaworowej głowicy zajęło aż 8 lat. W rzeczywistości stały za tym duże trudności techniczne. 

Problemy techniczne

Kiedy pierwszy raz Volkswagen ogłosił prace nad 24-zaworowym VR6, wydawało się niemożliwym, że uda się zmieścić 4 wałki rozrządu w tak małej głowicy. Jeżeli nie 4 wałki rozrządu to musiał być to rozrząd SOHC obsługujący 4 zawory na cylinder, jak w przypadku wielu japońskich samochodów np. Honda i Mitsubishi.

Silnik Hondy SOHC o 4 zaworach na cylinder.  
Góra: Każdy wałek ma po 4 ciasno upakowane krzywki na każdy cylinder. Krzywki napędzają zawory za pomocą dźwigni.  
Dół: skomplikowana dźwignia.

Jednak konstrukcja SOHC o 4 zaworach na cylinder nie jest idealnym rozwiązaniem. Po pierwsze wykorzystuje ona 3 lub 4 krzywki na każdy cylinder co zwiększa stopień skomplikowania. Po drugi najbardziej idealną pozycją zestawu dźwignia/krzywka jest dokładnie nad zaworem, którym zestaw ten kieruje. W przeciwnym wypadku ruch dźwigni może wytwarzać moment wzdłużny, który zużywa energię, wytwarza tarcie i ogranicza maksymalne obroty.  Ponieważ idealna pozycja dźwigni jest taka sama na dolocie i wydechu, w silnikach SOHC o 4 zaworach na cylinder stosuje się lekkie przesunięcie jednej lub obu dźwigni, co niestety wywołuje ów wcześniej wspomniany moment. Wszystkie wyczynowe Hondy (od SiR do TypeR) posiadają w związku z tym rozrząd DOHC, wolny od tej wady. 

Ale najważniejszym powodem, dla którego niechętnie stosowany jest rozrząd SOHC o 4 zaworach na cylinder jest niemożność zastosowania systemu zmiennych faz rozrządu. Jeżeli ustawimy kąt wyprzedzenia o 20° do przodu zawory dolotowe będą się otwierały i zamykały wcześniej, ale dotyczy to również zaworów wydechowych. Z tego powodu nie powoduje to wzrostu mocy.

System zmiennych faz oparty na przełączaniu krzywek taki jak VTEC lub MIVEC (Mitsubishi) rzeczywiście powoduje wzrost mocy ale nie daje nic jeżeli chodzi o wzrost mocy na niskich obrotach, dlatego też europejscy producenci nie stosują takich systemów. 

Jak Volkswagen rozwiązał te trudności?

Rozwiązanie Volkswagena

Inżynierowie Piecha rozwiązali problem w przełomowy sposób: Podwójny wałek rozrządu na każdy rząd cylindrów, jeden dla zaworów ssących, jeden dla wydechowych, ale w sumie dalej 2 wałki. Tak, uwierzcie własnym oczom. Czasami 2 x 2 = 2.

Nie wierzycie? Spójrzcie na zdjęcie u góry, szczególnie na odleglejszy wałek rozrządu. Widać, że dźwignie naciskają sprężyny zaworowe zaworów należących do drugiego rzędu cylindrów. Jeżeli tego nie widzicie spójrzcie na ilustrację poniżej.

Teraz wszystko jasne? Wałek rozrządu A steruje zaworami ssącymi rzędu A jak i rzędu B. Podobnie wałek rozrządu B steruje zaworami wydechowymi rzędu A i B. Innymi słowy, każdy cylinder jest obsługiwany oboma wałkami, stąd też rozrząd DOHC. 

Jak pamiętacie, jedną z cech VR6 jest jego asymetryczność, co umożliwia sterowanie jednym wałkiem rozrządu wszystkimi zaworami wydechowymi. Odległość między zaworami a wałkiem jest taka sama w przypadku dolotu i wydechu, co zapewnia jednakową sprawność. Gdyby nie wąski kąt rozwarcia cylindrów i asymetryczna konstrukcja, sterowanie jednym wałkiem rozrządu wszystkimi zaworami dolotu bądź wydechu byłoby niemożliwe. 

Taka konstrukcja umożliwia również stosowanie systemów zmiennych faz rozrządu. W 24-zaworowym VR6 stosowany jest system zmiennych faz rozrządu na zaworach dolotowych, zaś w przyszłości planowane jest użycie go również na zaworach wydechowych, jak w systemie BMW Double Vanos. 

Zwykły silnik V6 potrzebowałby 4 wałków rozrządu i 4 mechanizmów zmiennych faz, jak również 2 bloków i głowic. Największym zaś osiągnięciem jest fakt, że nowy VR6 posiada taką samą liczbę wałków rozrządu co jego 12-zaworowy poprzednik. 

Silnik W12

Po zrozumieniu konstrukcji VR6 nietrudno jest uzmysłowić sobie budowę W12. Jak twierdzi Volkswagen W12 jest w zasadzie połączeniem 2 silników VR6. Potwierdza to jego pojemność 5,6 litra. Są to 2 silniki VR6 połączone pod kątem 72°. 

Do skonstruowania silnika W nigdy by nie doszło gdyby nie VR6. Audi pracowało nad silnikami w układzie W przez wiele lat lecz w końcu poddało się. Podobno nie potrafili rozwiązać kwestii wydechu i chłodzenia silnika.  

Wygląda na to, że Volkswagen nie skorzystał z doświadczeń Audi w tym temacie, ponieważ ich silnik W bazuje na VR6, który powstał w latach 80. Dzięki asymetrycznej budowie silnika VR6 wydech z lewego silnika VR6 biegnie w lewą stronę, zaś wydech prawego VR6 w prawą stronę. Jest to taki sam system wydechowy jak w zwykłym silniku w układzie V.

Silnik W16 

Podobnie jak W12, W16 składa się z dwóch połączonych silników VR8, choć jak na razie same VR8 nie są dostępne. VR8 składa się z dwóch rzędów po 4 cylindry o kącie rozwarcia 15°, zupełnie jak w VR6. Następnie dwa silniki VR8 są połączone ze sobą pod kątem 72°. Innymi słowy W16 to po prostu W12 z jednym cylindrem dodanym do każdego rzędu. 

Silnik W18 

Jako że 18 nie dzieli się na 4, silnik W18 nie wywodzi się z silników typu VR. Jest on skonstruowany wg starej koncepcji Audi połączenia 3 rzędów po 6 cylindrów, napędzających wspólny wał korbowy. Wadą jest fakt, że pomiędzy 3 rzędami są dwa kąty V po 60°, dając w sumie 120°. Dla porównania W16 ma tylko 15/2 + 72 + 15/2 = 87°, a więc W18 jest o wiele szerszy. Pod względem długości W16 jest tak samo długi jak VR6, czyli ok. 4 i 1/2 cylindra. W18 ma długość rzędowej szóstki. 

Jak widać na zdjęciu W18 jest bardzo duży i skomplikowany. 2 rzędy cylindrów są połączone pod kątem 60° jak w zwykłym V6 podczas gdy pozostały rząd leży w poziomie. Pomiędzy rzędami znajdują się skomplikowane przebiegi kanałów dolotu i rur wydechowych.

Jak widać W18 nie jest tak sprytną konstrukcją jak W16. Pojawia się kwestia celu zbudowania takiego silnika. Czy jest on silniejszy niż V12? Nie. Czy ma wyższą kulturę pracy niż teoretycznie idealny V12? Nie. Czy jest krótszy niż V12? Nie. Czy jest węższy niż V12? Wręcz przeciwnie. Czy jest tańszy w budowie? Nie. Czy jest bardziej spektakularny i prestiżowy? Tak

Tłumaczył z języka angielskiego Rahdeck.