Dlaczego prosta sześciocylindrówka znowu zyskuje na popularności?

Rządowy sześciocylindrowiec to architektura silnika, w której sześć cylindrów ustawionych jest w jednym rzędzie na jednym wałe korbowym i nosi jedną z najstarszych, a zarazem najnowszych historii motoryzacji. Na początku XX wieku ten układ był miarą prestiżu, lecz wraz z rozwojem napędu na przednią oś i wzrostem popularności V6 na dziesięciolecia został zapomniany; od lat 2010. dzięki turbosprężaniu i naturalnej równowadze wrócił jednak na taśmy produkcyjne. Ten artykuł opowiada nie o śmierci rzędowej szóstki, lecz o tym, że jako rozwiązanie inżynieryjne nigdy nie umarła.

Fundament czterosuwu: Linia od Otta do rzędowej szóstki

Historii rzędowej szóstki nie da się rozpatrywać w oderwaniu od historii jednocylindrowego silnika. Nikolaus Otto zbudował swój pierwszy silnik benzynowy w 1861 roku; natomiast wniosek patentowy na koncepcję czterosuwowego cyklu pochodzi z 1862 roku. W 1864 roku Otto wraz z Eugenem Langenem założył pierwszą na świecie fabrykę silników, a w 1867 roku zdobył złoty medal na wystawie światowej za swój projekt. Prawdziwy przełom nastąpił jednak w 1876 roku: sprężany, zasilany gazem cykl czterosuwowy. Ten cykl, składający się ze suwów ssania, sprężania, pracy i wydechu, po raz pierwszy pozwolił spalać paliwo w sposób wydajny i do dziś znany jest jako cykl Otta.

Wraz ze wzrostem liczby cylindrów inżynierowie stanęli przed nowym pytaniem: jak rozmieścić cylindry? Prosty rząd był najprostszą odpowiedzią. Cylindry rozciągające się po obu stronach jednego wału korbowego można było rozwiązać za pomocą jednej głowicy i jednego kolektora wydechowego. Układ V, zbierając cylindry w dwóch pochylonych rzędach, skracał silnik, lecz wymagał oddzielnej głowicy i oddzielnych rozwiązań chłodzenia dla każdego rzędu. Napięcie między tymi dwoma podejściami ukształtowało debatę o architekturze silników w kolejnych dekadach. To napięcie między tymi dwoma podejściami ukształtowało debatę o architekturze silników przez następne osiemdziesiąt lat.

Era Chryslera Slant-Six Kiedy rzędowa szóstka stała się ustalonym układem

W tamtym okresie rzędowa szóstka była ugruntowanym rozwiązaniem, obecnym w gablotach niemal każdego producenta. Łagodna praca, bezpośrednie przenoszenie mocy i mechaniczna prostota sprawiły, że w sedanach z długą maską i samochodach sportowych stał się naturalnym wyborem segmentu premium. Mercedes-Benz przez dekandy był znany z rzędowych sześciocylindrowców w modelach luksusowych i performance. Toyota modelem 2000 GT, produkowanym w latach 1967-1970, pokazała, co japońska inżynieria potrafi osiągnąć z rzędową szóstką.

Związek BMW z rzędową szóstką zasługuje na osobny rozdział. Marka wprowadziła na drogi swój pierwszy seryjnie produkowany model sześciocylindrowy z 303, zaprezentowanym w 1933 roku; Rodzina , wprowadzona pod koniec lat 60., przez lata stanowiła kręgosłup gamy silników firmy. Szczytem był jednak rzędowy sześciocylindrowiec o pojemności 3,5 litra oznaczony kodem M88: najpierw zastosowany w aucie sportowym M1, a następnie w pierwszym M5 i M6, ten silnik uważany jest za jeden z najbardziej szanowanych w każdym wymiarze. Modele od E36 M3 po E38 Serii 7 dowodzą, że klasyczna recepta BMW na rzędową szóstkę od niemal sześciu dekad praktycznie się nie zmieniła.

Upadek: Dlaczego V6 i V8 wygrały?

Zmierzch rzędowej szóstki nie miał jednego technicznego powodu; miał jedno geometryczne ograniczenie: długość. Ułożenie sześciu cylindrów w jednym rzędzie zamienia silnik w problem pakowania, zajmujący znaczne miejsce w obu osiach w pojazdach z silnikiem umieszczonym z przodu. W układach, w których upowszechnił się napęd na przednie koła, a silnik montowano poprzecznie, ta długość stała się w praktyce nie do opanowania. V6, grupując cylindry w dwóch krótkich rzędach, mieścił tę samą liczbę cylindrów na znacznie bardziej kompaktowej przestrzeni.

Obraz komercyjny szybko dostosował się do tego. Około 20-30 lat temu szeroka gama produktów, w tym legendarne modele z napędem na tylne koła, takie jak Land Cruiser, przeszła z rzędowej szóstki na V6 lub bezpośrednio na V8. Minęły też lata od czasu, gdy wysokosprężny Rocket V8 firmy Oldsmobile zmieścił rzędową szóstkę z rynku. Dane rynkowe z 2010 roku pokazywały, że nawet sprzedaż V6 w sedanach zaczęła spadać, a małe i średnie SUV-y skręcały w stronę silników czterocylindrowych; dla rzędowej szóstki pozornie nie było już miejsca.

Mimo to inżynierskie uzasadnienie tego upadku dotyczyło pakowania, a nie termodynamiki. Miejsce, które zdobył V6, było zwykle wymogiem linii produkcyjnej i podwozia. Sam silnik nigdy nie był zmuszany do walki; po prostu nie znajdował miejsca.

Dlaczego rzędowa szóstka jest doskonale zbalansowana?

Znak rozpoznawczy rzędowej szóstki zaczyna się od prawidłowego ujęcia pojęcia równowagi. W silnikach drgania analizuje się w dwóch kategoriach: siły pierwszego rzędu, czyli podstawowe oscylacje wynikające z ruchu tłoków w górę i w dół; natomiast siły drugiego rzędu to oscylacje powtarzające się co dwa obroty wału korbowego, wynikające z różnic prędkości w samym ruchu tłoka. W rzędowej szóstce sześć tłoków rozmieszczonych jest na wykreslaju wału korbowego w odstępach 120 stopni w taki sposób, że ruch jednego tłoka jest w pełni odzwierciedlany przez tłok na drugim końcu. Siły pierwszego rzędu wzajemnie się neutralizują; siły drugiego rzędu również.

Praktyczny skutek tego jest znaczący. Zapotrzebowanie na ciężkie przeciwwagi, wały równoważące lub tłumiki drgań spada do minimum. Naturalnie zbalansowany silnik nie wymaga wzmocnionego bloku ani ciężkich wieżyczek łożysk, aby tłumić drgania; co przyczynia się zarówno do trwałości, jak i do mniejszej masy. V6 natomiast zazwyczaj potrzebuje dodatkowych mechanizmów wyważających, aby pracować płynnie; Chociaż niektóre układy V6 o kącie 60 stopni mogą być naturalnie zrównoważone, nie dotyczy to każdego V6.

Poza wyważeniem prostota również jest zapisana w kartach rzędowej szóstki:

• Jedna głowica cylindrów i jeden kolektor wydechowy; V6 wymaga po dwa z każdego z nich.
• Rzędowa szóstka DOHC radzi sobie z zaledwie dwoma długimi wałkami rozrządu; V6 wymaga dwa razy więcej mniejszych wałków.
• Całkowita liczba części mechanizmu zaworowego spada o połowę w porównaniu z V6.
• Liczba łożysk głównych większa niż liczba cylindrów zapewnia wałowi korbowemu ciągłość na całej długości.

Uczciwy bilans inżynieryjny musi jednak odnotować jedno ograniczenie: długość. Poza długością trudno znaleźć wadę rzędowej szóstki; V6 z krótkim wałem korbowym może być bardziej sztywny mechanicznie. Lecz w latach 90. ta długość była wyrokiem, we współczesnym projektowaniu podwozi już tak nie jest.

Powrót w erze turbo: Długość już nie jest problemem

W odrodzeniu rzędowej szóstki decydujące okazały się dwa postępy techniczne. Pierwszy to dojrzałość turbodoładowania. Turbo nie wytwarza siły pchającej silnik tam i z powrotem przez ciśnienie dostarczane do silnika; obraca jedynie wały przenoszące moc. Dlatego turbodoładowana rzędowa szóstka oferuje wysoki i miękki charakter w przenoszeniu momentu obrotowego. Po drugie, ergonomia komory silnika nowoczesnych podwozi: rzedowa szóstka z turbodoładowaniem łatwiej mieści się w tym samym pojeździe niż V8, a jej produkcja jest prostsza. Na platformach z silnikiem z przodu i napędem na tył rzędowa szóstka w praktyce skuteczniej zastępuje V8.

Liczby tę przemianę skonkretyzowują. Rodzina Hurricane firmy Stellantis zastąpiła hemi V8 jako 3-litrowa rzędowa szóstka z podwójnym turbo: ok. 400 KM w wersji standardowej, ponad 500 KM w wersji wysokomocnej; w niektórych zastosowaniach mowa o wersjach osiągających 550 KM. Silnik zbudowano w logice jednego kolektora ssącego i jednego wydechowego - bezpośrednia kontynuacja klasycznej prostoty rzędowej szóstki w erze turbo. Mazda montuje 3,3-litrową turbodoładowaną rzędową szóstkę w CX-90 z trzema rzędami foteli. B58 i S58 BMW, rzędowa szóstka Mercedesa-Benz o kodzie M256 oraz Hurricane Stellantisa razem pokazują, że produkowane dziś rzędowe szóstki na nowo definiują osiągi. W segmencie SUV miękka praca rzędowej szóstki odczytywana jest również jako przewaga komfortu w porównaniu z układem V.

Legendarny silniki i opinie przeciwne

Legendarny status rzędowej szóstki nie sprowadza się wyłącznie do BMW. Rzędowa szóstka Toyoty o kodzie 2JZ wciąż jest punktem odniesienia w kulturze tuningu; nawet dziś przy marketingu nowoczesnej turbodoładowanej rzędowej szóstki sięga się po porównanie do współczesnego 2JZ. Istnienie egzemplarzy o mocy 3000 KM z rzędowej szóstki RB26 Nissana to mierzalny dowód na to, ile obciążenia wytrzymuje konstrukcja bloku. Tymczasem fakt, że marka taka jak Alvis wdrożyła do ponownej produkcji swojego 90-letniego klasycznego rzędowego szóstcylindrowca z aluminiową głowicą, dodatkowo potwierdza historyczną wartość tego układu.

Mimo tego obrazu spór nie zamknął się całkowicie. Z powodu idealnego wyważenia rzędowej szóstki, w niektórych interpretacjach inżynierskich opisuje się ją jako o jeden stopień mniej niż doskonałą, ponieważ tłoki w górnej połowie skoku poruszają się z różnymi prędkościami; powszechny pogląd uznaje jednak zneutralizowanie sił pierwszego i drugiego rzędu za wystarczające. W obiegu jest też pogląd, że pod względem wyważenia układ boxer wypada lepiej. Po stronie niezawodności problemy występujące w pierwszych turbodoładowanych rzędowych szóstkach BMW wywołały przeciwstawne doświadczenia użytkowników świadczące o tym, że czterocylindrowe silniki turbo sprawiają mniej kłopotów. To cenne przestrogi pokazujące, że inżynieria nie pozwala na uogólnienia, jakoby jakikolwiek układ był absolutny; ale nie wystarczyły, by zmienić kierunek rynku.

Dlaczego rzędowa szóstka znów zyskuje na znaczeniu? Podsumowanie

Historia rzędowej szóstki to nie historia powrotu, lecz historia odroczenia. Silnik nigdy nie osłabł; to po prostu warunki podwozia i rynku go nie przyjmowały. W okresie, gdy rosły znaczenie napędu na przednie koła i kompaktowe komory silnika, jego długość wyglądała niemal jak wada; natomiast turbo, systemy wspomagane elektrycznie i nowoczesna architektura platform uczyniły tę długość łatwą do opanowania. W zamian producenci odzyskali za niemal darmowy koszt pakiet składający się z jednej głowicy, jednego kolektora, naturalnego wyważenia i długiego wału korbowego przekazującego łagodny moment obrotowy - pakietu, który ich konkurenci musieli rozwiązywać wałami wyrównawczymi. Rzędowa szóstka nie umarła; czekała, a inżynieria nauczyła się przyjmować ją ponownie.

Źródła

• Powrót rzędowej szóstki: dlaczego klasyczny układ silnika wraca do łask
• Nikolaus Otto | Britannica
• Silnik rzędowy sześciocylindrowy
• Dlaczego rzędowa szóstka wraca do łask - Hagerty
• Dlaczego silniki rzędowe sześciocylindrowe są ponadczasowe - Road & Track
• Dlaczego każdy producent samochodów po cichu przywraca rzędową szóstkę - CarBuzz
• V6 kontra rzędowa szóstka: zalety i wady każdego z tych silników - Car Throttle
• 4 marki samochodowe, które przywracają silnik R6 - SlashGear
• Dodge SIXPACK - oficjalna strona Dodge
• Dlaczego silniki rzędowe sześciocylindrowe wracają do łask w nowoczesnych SUV-ach - TopSpeed
• Najmniejsze rzędowe silniki sześciocylindrowe, jakie kiedykolwiek zaprojektowano - Pedal Commander
• Co sprawia, że rzędowa szóstka BMW jest tak legendarana? - Clutch Masters
• Coraz więcej producentów tworzy nowe rzędowe szóstki - Jalopnik