Pojemność, doładowanie czy wysokie obroty?

Przedstawiciele

Wysokoobrotowe silniki wolnossące osiągające 100 lub więcej koni z litra pojemności nie są domeną wyłącznie Hondy i jej sławnego K20A. Podobne jednostki buduje Renault (2.0), BMW (4.0 V8, i 5.0 V10), Audi (4.2 V8 FSI czy 5.2 V10 FSI) czy Toyota (1.8 2ZZ-GE). Do tego grona zaliczają się też niemal wszystkie marki sportowe.

Silnik doładowane chętnie są stosowane niemal przez wszystkie marki europejskie, w bardzo szerokim zakresie pojemności i mocy, oraz japońskie: Subaru, Mitsubishi czy Mazdę.

Natomiast niewysilone silniki o wielkich pojemnościach reprezentują Amerykanie, z rodzinami GM LS i Chrysler Hemi na czele. Rodzynkiem w tym gronie jest 6.2 V8 Mercedesa.

Dziecko Hondy Beat i S2000?

Komplikacja

Standardem zarówno w wolnossących jak i w doładowanych silnikach japońskich i europejskich są cztery zawory na cylinder, dwa wałki rozrządu dla każdej z głowic i zmienne fazy rozrządu. Czasami spotykane są też zmienne wzniosy zaworów (Honda VTEC, Audi Valvelift).

W silnikach turbodoładowanych znajduje się jeszcze turbosprężarka, wraz ze systemem chłodzenia i smarowania, oraz chłodnica powietrza doładowującego (intercooler). Jeśli jest to intercooler typu powietrze-ciecz to trzeba wygospodarować dodatkowy obieg tejże cieczy. Dochodzą do tego drobniejsze elementy jak natrysk oleju na tłoki i jego chłodnica.

Wysokoobrotowe silniki wolnossące wymagają za to bardzo starannego opracowania kolektorów i poprowadzenia kanałów w głowicy. Do tego konstruktorzy muszą walczyć z każdym gramem masy układu korbowo-tłokowego. Tu nie chodzi tylko o wytrzymałość silnika, ale także o straty mechaniczne, które gwałtownie rosną wraz ze zwiększaniem prędkości obrotowej.

Na tym tle amerykańskie V8 prezentują się bardzo prosto i to pomimo dwóch rzędów cylindrów. Zwykle na każdy z cylindrów przypadają dwa, napędzane przez długie laski, zawory. Wałek rozrządu jest tylko jeden i znajduje się w kadłubie, blisko wału korbowego. Systemy zmiennych faz rozrządu należą do rzadkości.

Masa i wymiary

O ile dwulitrowy turbobenzyniak, za sprawą konstrukcji przystosowanej do wyższych ciśnień spalania i dodatkowego osprzętu, będzie o jakieś 20kg cięższy od wolnossącego odpowiednika (120-125kg), o tyle nie musi zajmować więcej miejsca. Turbosprężarka stała się elementem kompaktowym, zintegrowanym z kolektorem wydechowym a intercooler zajmuje miejsce gdzieś w okolicach zderzaka. Jednocześnie kolektory mogą mieć mniejszą objętość niż w silniku wolnossącym.

Wydaje się porażką Amerykanów to, że do wygenerowania ponad 500KM z wolnossącego silnika potrzebują 7 litrów, podczas gdy w Europie robi to wysokoobrotowe 5.0. Dowcip polega na tym, że to 4.0 ma dwie wysokie i ciężkie głowice z rozrządem DOHC. Większy konkurent zadowala się znacznie prostszymi i niższymi głowicami OHV. W obu przypadkach masa powinna wynosić nieco ponad 200kg.   Niewiarygodne? 512-konny siedmiolitrowy LS7 waży 208kg, mniej niż 507-konne 5.0 V10 z BMW M5 (240kg).

Jaka jest średnia pojemność silnika w EU?

Wrażenia podczas jazdy

Poniżej widoczne są charakterystyki trzech typów silników - linie szare to deklarowane przez producenta, zielone i czerwone to uzyskane na hamowni obciążeniowej Rototest  Research Institute. Od lewej: Civic Type-R (wolnossący wysokoobrotowy), Corvette C6 (wolnossący o dużej pojemności), Scirocco R (turbodoładowany).

Od razu zauważalna jest odpowiedź na pytanie dlaczego silniki wysokoobrotowe wolnossące są tak chętnie stosowane w samochodach sportowych. Ich charakterystyka wymusza "zapuszczanie się" w okolice czerwonego pola, a więc także słuchanie natarczywego hałasu oraz inne "sportowe" doznania. Duża moc dostępna jest w jednym jedynym punkcie - próby utrzymywania się w jego okolicach wymagają sporo wysiłku. Pozytywem takiego silnika jest także błyskawiczna reakcja  na wciśnięcie pedału gazu (mały moment bezładności elementów silnika, brak turbodziury).

Silnik o dużej pojemności nie jest już tak trudny do opanowania. Z uwagi na korzystniejszy przebieg charakterystyki może on zapewniać lepsze przyspieszenia przy tej samej mocy maksymalnej - średnia moc przy przyspieszaniu będzie wyższa.

Jeszcze lepszą charakterystykę ma silnik turbodoładowany, pozwalając na generowanie dużej części mocy już przy niskich obrotach. Tu jednak nie można zapominać o zawsze obecnej zwłoce turbosprężarki. Także wrażenia subiektywne nie są zawsze pozytywne: niektórzy chwalą "dobrze ciągnie u dołu", inni ganią "traci parę u góry".

Na koniec trzeba wspomnieć o wielkiej wadzie silników wolnossących, a mianowicie o wrażliwości na gęstość powietrza. W górach może brakować całkiem pokaźnej części mocy.

Silnik a reszta podzespołów

Jeśli samochód ma sportowe aspiracje, to moment obrotowy silnika powinien być jak najniższy. Wtedy sprzęgło może być mniejsze a skrzynia wątlejsza. Dzięki temu można zaoszczędzić kilka kilogramów.

Bonus: diesel power

A co z silnikami z zapłonem samoczynnym (Diesla)? Przecież już przekroczyły 100KM z litra pojemności...Tak, zrobiły to, ale dzięki bardzo silnemu turbodoładowaniu. Wolnossący diesel generuje mniejszy moment niż silnik z zapłonem iskrowym i nie może tego naprawić prędkością obrotową, bo ta też jest niższa. Pozostaje potężne doładowanie, przy 2 litrach pojemności powodujące skok z ok. 140Nm do 350-400Nm.  Efektem musi być znacząca "turbodziura".

Do tego masa silnika, skrzyni i sprzęgła jest wyższa niż w przypadku zasilania benzyną.

Sens sporu

Czy ten spór ma w ogóle sens? Użyję pewnego porównania. Można się podobnie przejść w błogi stan na trzy sposoby:

• szybko wychylając kieliszki niskoprocentowego trunku (silniki wolnossące wysokoobrotowe),
• powoli wychylając szklanki niskoprocentowego  trunku (silniki wolnossące o dużych pojemnościach),
• powoli wychylając kieliszki wysokoprocentowego trunku (silniki doładowane).

Wybór jest cechą indywidualną, zależną od charakteru kierowcy.

Źródło: Rototest • K20A.org • Chevy High Performance • Roadfly (masa LS7 i BMW V10)