Opatentowany w roku 1883 przez niemieckiego inżyniera Gottlieba Daimlera jednocylindrowy, czterosuwowy silnik spalinowy zasilany benzyną doczekał się w ciągu minionych 135 lat całego korowodu następców, szalenie zróżnicowanych pod względem konstrukcyjnym.

Dla historycznej prawdy trzeba dodać, że Daimler był tym pierwszym, ale nie całkiem pierwszym… W 1860 r. pierwszy silnik spalinowy skonstruował Francuz Etienne Lenoir – a była to jednostka zasilana mieszanką tzw. gazu miejskiego i powietrza; Daimler w dużej mierze wzorował się na tym francuskim rozwiązaniu. I jeszcze jedna uwaga: do sukcesu prac nad niemieckim silnikiem walnie przyczynił się współpracownik Daimlera, inżynier Wilhelm Maybach, ale patent został udzielony tylko na nazwisko tego pierwszego.

Mnogość rozwiązań

Przez blisko półtora wieku swego istnienia silniki benzynowe (ich właściwa nazwa to „z zapłonem iskrowym”) stały się niezwykle różnorodne. Jednostki dwusuwowe, które z samochodów zostały kompletnie wyrugowane, wciąż cieszą się wielką popularnością w motocyklach, nie mówiąc o łodziach czy narzędziach w rodzaju pilarek czy kosiarek. Choć są raczej mało ekologiczne i mało ekonomiczne, to przecież ich niezaprzeczalną zaletą jest konstrukcyjna prostota i względna taniość.
Silniki doczekały się mnóstwa odmian, wynikających z rozmaitej konfiguracji cylindrów. Najprostszym rozwiązaniem są jednostki jednocylindrowe, ale jeśli chodzi o pojazdy drogowe, to one znajdują zastosowanie tylko w motocyklach. Najpowszechniejsze są silniki rzędowe, mające od dwóch cylindrów (jak to było w Polskim Fiacie 126p) wzwyż. Są widlaste, które mają jedną lub więcej par nierównoległych cylindrów; są i dwuwidlaste, zbudowane z dwóch połączonych jednostek V. Są też silniki wielorzędowe (choć to już absolutna rzadkość) z cylindrami w układzie liter X, Y, W czy nawet H. Silniki gwiazdowe (z cylindrami ułożonymi promieniście) znalazły swe miejsce w technice lotniczej, a sporadycznie były stosowane także w samochodach. Są silniki o cylindrach przeciwległych, tzw. boksery. Są rzędowe silniki leżące i są wiszące (tzw. odwrócone). Są jednostki widlasto-rzędowe, w których kąt rozchylenia cylindrów jest stosunkowo niewielki.
O tym wszystkim można sobie w wolnej chwili poczytać w encyklopedii, my zaś skupmy się na silnikach rzędowych o trzech cylindrach.

Kanony odchodzą do lamusa

Przez wiele dziesięcioleci niemal żelazną zasadą konstrukcji silników była parzystość cylindrów (z oczywistym wyjątkiem jednostek jednocylindrowych). Owszem, nie dotyczyło to silników dwusuwowych, a klasycznymi tego przykładami stały się jednostki samochodów DKW i Wartburg, a także Syreny.
W kategorii jednostek czterosuwowych ten kanon był uzasadniony koniecznością wyeliminowania drgań, które cechowały silniki o nieparzystej liczbie cylindrów. Ale od czegóż są wałki wyrównoważające, które mają kompensować siły tworzące się w układzie korbowo-tłokowym, a przez to ograniczać drgania i nierównomierności pracy silnika. Kompensują siły w układzie korbowo-tłokowym, bo obracają się w kierunku odwrotnym do obrotów wału korbowego.
Te wałki to niby żadna nowość, pod koniec XIX wieku wymyślił je brytyjski naukowiec i konstruktor Frederic Lanchester. Ba, on je nie tylko wymyślił, ale także praktycznie zastosował w swych samochodach, wtedy wręcz genialnych z konstrukcyjnego punktu widzenia. Ale w tamtych czasach było to rozwiązanie awangardowe i kosztowne, więc wałki na wiele lat poszły w zapomnienie. Z lamusa wygrzebali je inżynierowie Mitsubishi i wykorzystali u schyłku lat 70. w silnikach (rzędowych, czterocylindrowych), napędzających ówczesny model Colt.
Potem poszło już „z górki”. Wałki Lanchestera (także tak nazywa się wałki wyrównoważające) znalazły uznanie u projektantów silników rzędowych o nieparzystej liczbie cylindrów, a konkretnie pięciocylindrowych. Tych pięć cylindrów zafascynowało konstruktorów dlatego, że było rozsądnym kompromisem miedzy czterema a sześcioma cylindrami. „Piątka” dawała osiągi lepsze od „czwórki”, za to była krótsza od „szóstki” i dzięki temu mogła zmieścić się poprzecznie w komorze silnika. Tę tendencję ochoczo przyjęli w latach 80. projektanci i stąd w 1983 r. pojawiły się Audi 200, zaś u progu lat 90. „obrodziły” pięciocylindrowe Volvo 850 (jednostki z nich zostały także zapożyczone przez Francuzów do Renault Safrane).

Trzy też jest nieparzyste

Zanim Niemcy czy Szwedzi zmajstrowali swoje „piątki”, Japończycy wprowadzili swoje „trójki”. Konstruktorzy Daihatsu w 1977 r. zaskoczyli konkurencję nowatorskimi silnikami o pojemności skokowej 993 cm3 z trzema cylindrami. Zostały one użyte do napędu modelu Charade. Początkowo były to jednostki benzynowe, ale po sześciu latach pojawiły się także diesle, oparte konstrukcyjnie na kadłubach silników benzynowych. Daihatsu Charade stały się wtedy najmniejszymi w świecie autami napędzanymi silnikami wysokoprężnymi.
Czytelnicy nieco „starszej daty” być może pamiętają te samochody z polskich dróg, bowiem w drugiej połowie lat 80. importowano je do naszego kraju, by sprzedawać za tzw. waluty wymienialne i bony banku PeKaO. Kiedy naszą motoryzację dławiły skromne kartkowe przydziały paliwa, japońskie diesle stały się szlagierem wśród zamożniejszych użytkowników. Dlaczego? Bo „ropkę” do baku Charade można było kupić „na boku” od kierowców ciężarówek z sektora uspołecznionego…
Japończycy dowodzili, że trzy cylindry stanowią pewne optimum z punktu widzenia termodynamiki (chodziło o optymalizację strat ciepła) i dzięki temu udało się podnieść wydajność z litra przy mniejszej wielkości i masie własnej silnika. Dlatego na jednostki R3 (o jeszcze mniejszej pojemności 545 cm3) skusiła się firma Suzuki, wyposażając w nie model Alto. Z czasem zmodyfikowane „trójki” Suzuki zostały przeszczepione także do indyjskich Maruti i do koreańskich Tico i Matizów.

Wyzwania współczesności

Moc indykowana to moc rozprężających się gazów – wielkość czysto teoretyczna, która nie istnieje w praktyce. Wartością miarodajną jest moc efektywna, czyli ta odbierana na wale korbowym. Ta wielkość uwzględnia opory mechaniczne, za które w głównej mierze odpowiada tarcie złożenia tłok – cylinder, a za około 10 procent również osprzęt silnika.
Opory mechaniczne są silnie zależne od prędkości obrotowej; przy niewielkiej sięgają kilku procent, przy dużej rosną nawet do dwudziestu. I tu dochodzimy do wniosku, że im mniej cylindrów, tym mniejsze są straty, wynikające z oporów mechanicznych. Pewnym optimum okazał się układ trzycylindrowy. Takie konstrukcje zapewniają bardziej efektywne spalanie od silników czterocylindrowych. Mniejsza bryła silnika oznacza także mniejsze straty cieplne, bowiem „trójka” ma mniejszą powierzchnię promieniowania niż „czwórka”.
Zalety jednostek trzycylindrowych zbiegły się z tendencją do downsizingu, tzn. mówiąc skrótowo do wyciskania coraz większej mocy z coraz mniejszej pojemności skokowej. Skutkiem stał się u schyłku lat 90. i na początku lat dwutysięcznych wielki wysyp konstrukcji trzycylindrowych, masowo wprowadzanych do napędu samochodów osobowych z niższych segmentów rynkowych. Praktycznie wszyscy wielcy wytwórcy dysponują szeroką gamą litrowych „trójek” o dość zróżnicowanych osiągach, wynoszących np. w Alfie Romeo Mito 105 KM, w Audi A1 95 KM, w Citroënie C1 i Peugeocie 108 – 69 KM, w Hondzie Civic T 130 KM, w Hyundaiu i10 czy Kii Picanto 66 KM, w Renault Twingo 69 KM, w Suzuki Celerio 85 KM, w Toyocie Aygo 85 KM, w VW Up! 90 KM, w Fordzie Fiesta T nawet 140 KM.
Pojemność 1 dm3 wyznacza pewien typowy standard, ale spotyka się „trójki” zarówno mniejsze (np. Honda S660 lub N-One, 658 cm3 60 KM lub Smart Fortwo 898 cm3 90 KM), jak i większe (Ford Fiesta 1084 cm3 – 85 KM, BMW 1T 1499 cm3 – 136 KM czy Citroën/Peugeot 1199 cm3 – 130 KM).
Silniki R3 (zwłaszcza te o wysokiej mocy) odznaczają się sporym stopniem komplikacji, co odbija się też na kosztach serwisowych. Użytkownik zyskuje nieco niższe zużycie paliwa (i to stało się istotnym argumentem promocyjnym), zaś zyskiem wytwórcy są odczuwalnie niższe koszty produkcji. Konstrukcje sprzed kilkunastu lat często nie grzeszyły wysoką kulturą pracy i nie imponowały niezawodnością, ale współczesne projekty stały się znacznie doskonalsze i trwalsze. Zresztą klienci nie mają już zbytniego pola manewru – w segmencie A i B (a nawet C) jednostki czterocylindrowe po prostu wymierają…

Grzegorz Chmielewski