Ścigacz.pl

Każdy fan dwóch kół doskonale wie, że silniki w układzie V oferują mieszankę mocy, charakteru i dźwięku, który potrafi poruszyć nie tylko masę maszyny. Nie chodzi jednak wyłącznie o wygląd, czy dźwięk, a ten układ to nie jest jedynie tradycja i styl.

Widlaki kuszą proporcjami, obiecują moment obrotowy podany w gęstej, mechanicznej formie, a ich dźwięk potrafi zawibrować w odbiorcy od pięt po czubek czaszki. Na pewno wiecie, o co mi chodzi. Ale za tą estetyką i gangiem z wydechów stoi precyzyjna matematyka ruchu i bezwzględna fizyka mas wirujących oraz posuwisto-zwrotnych. Wyjaśnijmy sobie te kwestie, bo to fascynujący temat.

 

Geometria zamiast kaprysu

Kąt rozwarcia między rzędami cylindrów nie jest stylistycznym kaprysem konstruktora, lecz wynikiem rachunku sił, momentów i geometrii wału korbowego. Najpierw podstawy. Jak wiadomo, w czterosuwie pełny cykl pracy trwa 720 stopni obrotu wału. Jeżeli podzielimy tę wartość przez liczbę cylindrów, otrzymamy teoretyczny równomierny interwał zapłonu. V8 daje 90 stopni, V6 - 120, dwucylindrowiec - 360.

Sam interwał nie rozwiązuje jednak problemu drgań. Każdy tłok, zmieniając kierunek ruchu, generuje siły bezwładności pierwszego i drugiego rzędu, a ich suma tworzy również momenty wywracające działające na blok silnika. Równomierne odstępy zapłonów odpowiadają za płynność oddawania momentu obrotowego, lecz równowaga dynamiczna zależy dodatkowo od kąta rozwarcia, konstrukcji wykorbień, wspólnych lub dzielonych czopów korbowych oraz zastosowania przeciwwag czy wałów wyrównoważających.

Dlaczego V8 ma 90 stopni

Chyba najbardziej widowiskowym przykładem zbieżności geometrii i mechaniki jest V8 o kącie 90 stopni. W tej konfiguracji, przy odpowiednim typie wału, możliwe jest bardzo dobre zrównoważenie sił i momentów, dlatego rozwiązanie to stało się standardem w motoryzacji samochodowej. Oczywiście w motocyklach V8 pozostaje konstrukcją niszową, głównie z powodu gabarytów i masy, ale sama zasada wyważenia pozostaje identyczna. Co ciekawe, takie motocykle też znajdują swoich wielbicieli, a bodajże najbardziej oczywistym przykładem w kategorii superpotworów jest Boss Hoss.

Przeciwległym biegunem jest układ bokser o kącie 180 stopni. W silniku z parzystą liczbą cylindrów tłoki pracują naprzeciw siebie, a siły pierwszego rzędu znoszą się w dużym stopniu bez potrzeby dodatkowych wałów balansujących. Nie oznacza to jednak całkowitego braku drgań, ponieważ pozostają momenty wynikające z rozstawu cylindrów oraz charakterystyczna reakcja na zmianę prędkości obrotowej wału, odczuwalna w motocyklach BMW jako delikatne przechylenie przy dodaniu gazu. Mimo to pod względem równowagi pierwotnej bokser należy do najbardziej harmonijnych konstrukcji.

Rzędowy jako V o zerowym kącie

Nasze rozważania nie mogą pominąć silnika rzędowego, którego można geometrycznie potraktować jako V o kącie 0 stopni, lecz jego charakter drgań jest odmienny. Rzędowa trójka zapewnia równomierne zapłony co 240 stopni, ale generuje moment wywracający oraz siły drugiego rzędu, dlatego współczesne konstrukcje niemal zawsze otrzymują wał wyrównoważający. W rzędowych czwórkach siły pierwszego rzędu się znoszą, natomiast drugiego rzędu pozostają i przy wysokich obrotach wymagają kontroli konstrukcyjnej.

Wracając do widlaków, w przypadku V6 czysta arytmetyka wskazuje 120 stopni jako naturalny interwał zapłonu. Taki kąt umożliwia uzyskanie równych odstępów zapłonów przy prostej konstrukcji wału, lecz szerokość silnika bywa problematyczna - zwłaszcza w motocyklach. Dlatego w praktyce najczęściej stosuje się 60 stopni, co pozwala zachować kompaktowość i nadal uzyskać równe 120-stopniowe zapłony dzięki odpowiedniej geometrii wykorbień, czyli przesunięciu czopów o 60 stopni.

60 stopni - kompromis i balansowanie

Przy 60 stopniach V6 siły pierwotne udaje się w dużej mierze zrównoważyć dzięki takiej konfiguracji wału, jednak każdy bank ma trzy cylindry - nieparzystą liczbę - co powoduje nierównomierny rozkład sił bezwładności drugiego rzędu i momentów wywracających. Dlatego większość 60-stopniowych V6 wymaga wału wyrównoważającego, który skutecznie tłumi te drgania. Konfiguracja 90 stopni, wywodząca się zresztą z architektury V8, wymaga zazwyczaj czopów dzielonych, aby zachować równomierność pracy i 120-stopniowe interwały zapłonu.

Nie można zapominać, że istnieją również konstrukcje bardziej złożone, chociaż sięgnijmy poza świat dwóch kół. VR6 Volkswagena wykorzystuje kąt około 15 stopni i wspólną głowicę, dzięki czemu zachowuje kompaktowe wymiary przy sześciu cylindrach. Z kolei V10 Dodge’a Vipera przy kącie 90 stopni pracował z nierównomiernym zapłonem co 72 stopnie, a jego charakterystyczne brzmienie wynikało z pojemności, kolejności zapłonów i strojenia układu wydechowego, nie zaś z nierównych interwałów.

Motocyklowe V-twiny w praktyce

W motocyklach zależności te stają się szczególnie wyczuwalne. 90-stopniowe V-twiny Ducati, z przesunięciem wykorbień o 90 stopni, zapewniają bardzo dobre zrównoważenie sił pierwszego rzędu bez konieczności stosowania wału balansującego. Pozostają siły drugiego rzędu i charakterystyczny rytm pracy, lecz jednostka zachowuje wysoką kulturę mechaniczną. Z kolei amerykańskie V-twiny o kącie 45 stopni, z nierównymi odstępami zapłonów 315 i 405 stopni, świadomie eksponują pulsację wynikającą z geometrii wału i kąta rozwarcia. Wibracje nie są tu defektem. Można powiedzieć, że to element tożsamości konstrukcji, zresztą bardzo przyjemny, co potwierdzi każdy właściciel H-D.

Równania, które czuć w dłoniach

Nawet takie uproszczone wyjaśnienia tych zależności pozwalają spojrzeć na silnik nieco inaczej. To nie tylko serce układu o wizualnie ciekawym wyglądzie, lecz przede wszystkim precyzyjnie obliczony układ sił. Każdy stopień rozwarcia, każdy czop wału i każda przeciwwaga są odpowiedzią na konkretne równania ruchu. To również dlatego jedne jednostki pracują niemal aksamitnie, inne pulsują i drżą, a jeszcze inne łączą obie cechy w proporcjach, które decydują o ich charakterze. Trudno nie dostrzec, że te znakomicie wyczuwalne różnice stanowią też niekończące się źródło dyskusji motocyklistów o "przewadze" jednych jednostek nad innymi. Możecie już zaczynać.