V8: Ferrari kontra reszta świata

Na początek polecam posłuchanie silnika Ferrari:

I Maserati:

Różnica dotyczy zastosowanych wałów korbowych. W Ferrari można znaleźć wał płaski, z układem wykorbień 0-180-180-0, analogicznym jak w rzędowych czwórkach. Rozwiązanie to stosowane jest także w Formule 1. Dlaczego?

Po pierwsze, wał płaski może być znacznie lżejszy. Silnik V8 z takim wałem można uznać za dwa połączone R4, a tam siły bezwładności pierwszego rzędu znoszą się. Nie wymagane są jakiekolwiek przeciwwagi - stosuje się je tylko po to by odciążyć łożyska główne (szczególnie centralne).

Kolejną zaleta wału płaskiego jest to, że wymusza zapłony naprzemiennie w obu rzędach cylindrów. Dzięki temu wymiana ładunku jest równomierna i sprawna. Te dwie cechy sprawiają, że flat-plane dominuje w silnikach wyczynowych. Jest jeszcze jedna, często pomijana kwestia: jest on po prostu tańszy w produkcji. Wykorbienia w jednej płaszczyźnie nie wymagają skręcania wału.

Tymczasem wały z wykorbieniami ułożonymi w dwóch płaszczyznach (0-90-270-180) znajdziemy w niemal wszystkich innych V8. Od amerykańskich Hemi, GM LS, po europejskie silniki Audi, BMW czy Maserati.

Na obrazku rozpoczynającym wpis widzimy szczegół pozwalający rozpoznać rodzaj zastosowanego wału. To pełnowymiarowa przeciwwaga, niewystępująca w wałach płaskich. Tutaj musimy wrócić do wyrównoważenia. W silniku z wałem flat-plane siły pierwszego rzędu znoszą się, przy cross-plane natomiast to ich zniwelowania potrzebujemy przeciwwagi i koniecznie kąta rozwidlenia wynoszącego 90 stopni.

W przypadku wału płaskiego problemem są siły bezwładności drugiego rzędu. Podobnie, jak w czterocylindrowym rzędowym, siły te sumują się. Na domiar złego, okres ich zmian jest dwukrotnie krótszy od okresu obrotu wału korbowego. Można je usunąć tylko przez zastosowanie wałków wyrównoważających, pracujących z dwukrotną prędkością wału. Spójrzmy na rysunek poniżej.

Na schemacie a widzimy jeden rząd cylindrów przy zastosowaniu wału płaskiego. Strzałkami oznaczono siły bezwładności elementów wykonujących ruch posuwisto-zwrotny, za które uznaje się: tłok, pierścienie, sworzeń i ok. 1/3 masy korbowodu. Czerwone strzałki to siły pierwszego rzędu, proporcjonalne do cosinusa kąta obrotu wału korbowego (OWK), a zielone to siły drugiego rzędu - proporcjonalne do cosinusa podwojonego kąta OWK.

Na schemacie b znajduje się wał cross-plane. W tym przypadku siły drugiego rzędu znoszą się. Wyrównoważenie sił pierwszego rzędu, za pomocą dużej przeciwwagi, przedstawia schemat c. Dzięki temu możliwa jest budowa silników V8 (cross-plane) o wysokich pojemnościach skokowych. Przy flat-plane przeszkodą są drgania jednostki.

Silnik z wałem flat-plane wydaje dźwięk niczym dwie zsumowane jednostki R4. Czasami, wyczynowe silniki mają kąt rozwidlenia inny niż 90 stopni, co powoduje nierównomierny rozkład zapłonów i nieco odmienne brzmienie.

Zupełnie inaczej jest w przypadku silników z wałem o wykorbieniach w dwóch płaszczyznach. Tam, co pewien czas, muszą wystąpić po sobie zapłony w tym samym rzędzie cylindrów. Efekt to chwilowe skoki ciśnienia i dźwięk nazywany bulgotem.

Przykład kolejności zapłonów (kolorami oznaczyłem różne rzędy cylindrów) - silnik BMW S65 z wałem cross-plane (z BMW M3):

• 1-5-4-8-7-2-6-3

i z wałem płaskim (M3 GTR):

• 1-8-3-6-4-5-2-7

Skoki ciśnienia zachodzą oczywiście też po stronie układu dolotowego. Stanowi to znaczne ograniczenie napełniania cylindrów i osiągów silnika.