Silnik przeciwsobny. Kariera boksera

Silniki z płasko ustawionymi cylindrami są niemal tak samo wiekowe jak motoryzacja. Prototypową jednostkę tego typu zbudował Karl Benz już w 1897 roku, czyli zaledwie 11 lat od czasu prezentacji pierwszego samochodu. Od 1898 roku taki silnik stosowano w niewielkim autobusie, a od 1899 roku także w samochodach osobowych. Motor występował w kilku wariantach pojemności (od 1,7 do 4,2 l) i mocy od 5 do 13 KM. W kolejnych latach jednostka była systematycznie rozwijana, by dobić do astronomicznej wtedy mocy 20 KM. Warto wspomnieć, że w tym samym czasie Karl Benz pracował też nad dwucylindrowym silnikiem rzędowym, ale to właśnie jednostka typu bokser sprawdziła się najlepiej.

Ważna równowaga

Silnik spalinowy w czasie swojej pracy nie pracuje liniowo, a w jego wnętrzu mamy do czynienia z ruchem posuwisto-zwrotnym i obrotowym. Wszystko to wiąże się z występowaniem sił, które przekazywane są na blok jednostki napędowej, a za jej pośrednictwem na inne elementy motocykla. Wszystkie powstające siły muszą być odpowiednio zrównoważone – niedoskonałości w tym zakresie będą odbijać się zwiększeniem nieprzyjemnych wibracji. Czasami są one pożądane (jak w klasycznych Harleyach), innym razem inżynierowie robią wszystko, by drgań się pozbyć.

Na nieszczęście sprawa nie jest tak prosta, jak mogłoby się wydawać. Samo wyważenie układu korbowo-tłokowego (a zatem zniesienie siły odśrodkowej działającej w jednym kierunku) nie załatwia sprawy. Przeciwwagi na wale korbowym równoważą układ tak, by jego środek ciężkości znajdował się w osi obrotu wału korbowego. Nie rozwiązuje to jednak problemów związanych z powstawaniem wibracji. W silniku działają także siły powstające w wyniku ruch posuwisto-zwrotnego. Nie da się ich zrównoważyć poprzez przeciwwagi wirujące, trzeba wytworzyć siły działające w odwrotnym kierunku. I tutaj, „cały na biało”, wchodzi silnik typu bokser, w którym ruch tłoków wzajemnie się niweluje, a zapłony następują co każde 360º (w twinie).

Specyficzna konstrukcja wału korbowego odróżnia silnik płaski od boksera. W tym drugim każdy z tłoków pracuje na oddzielnym czopie

Oczywiście zastosowałem tutaj duże uproszczenie, gdyż istnieje wiele innych czynników powodujących nierównowagę pracy silnika. Wpływ na powstawanie momentów mają między innymi przesunięcie osi pracy tłoków, obciążenia wynikające z oporów pracy układu rozrządu, niedoskonałości wykonania podzespołów czy nieliniowa prędkość poruszania się tłoków (co powoduje powstawanie tak zwanych sił drugiego rzędu). Nie możemy też zapominać o podstawowym fakcie, że wał korbowy poddawany jest obciążeniom wynikającym ze sprężania i pracy. Szczególnie niewielkie jednostki wyposażone w lekkie koło zamachowe wykazują tutaj znaczne różnice w prędkości obrotowej wału w zależności od suwu, w którym znajduje się tłok. Jednak w ogólnym założeniu układ bokser jest korzystny, a wpływ wspomnianych czynników okazuje się minimalny. Mimo to, w motorach BMW R 1200 GS stosuje się wałek wyrównoważający.

Oczywiste korzyści  

Silnik typu bokser, choć stosowany w motocyklach sporadycznie, daje wiele korzyści. Po pierwsze, ma nisko umieszczony środek ciężkości. To dlatego każdy, kto wsiada na boksera BMW czy ważącą ponad 400 kg Hondę Gold Wing jest zaskoczony łatwością prowadzenia obu maszyn. Bokser jest też krótki, co przy wzdłużnym ustawieniu ułatwia klasyczne umieszczenie skrzyni biegów (za silnikiem). Takie rozwiązanie zastosowano w  silnikach BMW chłodzonych powietrzem i olejem – można było bez problemu zastosować jednotarczowe, suche sprzęgło i niewymagające przekładni kątowej wyjście na wał napędowy. W nowszych silnikach chłodzonych cieczą niemiecki producent trochę skomplikował sprawę, umieszczając sprzęgło z przodu. Nadal jednak mamy do czynienia ze zwartą, niską i krótką jednostką napędową. Samo chłodzenie, niezależnie od czynnika (powietrze, olej, ciecz) jest wydajne, szczególnie w silnikach dwucylindrowych. Dlatego BMW, nie licząc płaszcza wodnego otaczającego komorę spalania w silnikach 1250, do dzisiaj polega na powietrzu.

W samochodach serwis silnika typu bokser nie należy do przyjemnych. W wielu przypadkach konieczne jest wyjęcie jednostki napędowej z pojazdu, ale w motocyklu jest wręcz odwrotnie. Karoseria nie ogranicza miejsca, większość newralgicznych punktów mamy na wierzchu. Bez większego problemu dostaniemy się pod boczne pokrywy, by sprawdzić luzy zaworowe. Zdjęcie głowicy i skontrolowanie stanu gładzi cylindrów również nie stanowi problemu. W starszych modelach możemy też zdjąć cylindry i wykonać kompletny remont „góry silnika”. Z kolei miejsca, do których mamy gorszy dostęp, to alternator czy sprzęgło.

Silnik Gold Winga to sześciocylindrowe techniczne arcydzieło i wzór kultury pracy

Nie wszystko złoto

Silnik typu bokser nie jest jednak pozbawiony wad, chociaż w większości przypadków mowa o kwestiach kosztowych i czysto praktycznych. Z jednej strony, jednostka jest krótka, z drugiej zaś, dużo szersza niż zwarte silniki rzędowe. Wystające cylindry są pierwszym elementem, który ma kontakt z podłożem w czasie niemal każdej gleby. Przy zwykłej wywrotce na parkingu czy w terenie silnik zadziała jak gmol. Jednak przy poważnym szlifie głowicę z cylindrem można wręcz urwać – naprawa takiego uszkodzenia jest bardzo kosztowna, czasami po prostu nieopłacalna.

Drugim problemem jest ściekanie resztek oleju do komory spalania lewego cylindra podczas postoju na bocznej podstawce. Dlatego większość starszych motocykli BMW wyposażonych w taki silnik lubi sobie puścić biały dymek w czasie zimnego rozruchu. Trzecim i chyba najważniejszym obecnie czynnikiem nieprzemawiającym za silnikami typu bokser są koszty produkcji. Mamy dwie głowice, rozdzielony układ zasilania i napęd rozrządu poprowadzony na dwie strony. Z tego samego powodu obserwujemy postępujące wycofywanie się z silników widlastych na rzecz zwartych i tanich w produkcji silników rzędowych.

Napęd rozrządu wymusza rozwiązania pozwalające ograniczyć szerokość silnika

Nie tylko twin

Najbardziej znanymi bokserami są oczywiście twiny BMW. Ale to niejedyne płaskie silniki, które okazały się rynkowym sukcesem. Drugim popularnym motocyklem z motorem zbudowanym w tym układzie jest Honda Gold Wing, w której najpierw zastosowano jednostkę z czterema, a później z aż sześcioma cylindrami. Dzisiaj ciężko sobie wyobrazić w motocyklu inny układ silnika o takiej liczbie cylindrów. Jak wiadomo, szóstka w rzędzie generalnie nie przyjęła się, chociażby ze względu na konieczność stosowania bardzo długiego wału korbowego. Przedstawicielami takich konstrukcji były Honda CBX 1000, Benelli Sei 750/900 oraz Kawasaki KZ 1300. Modele te nie przetrwały próby czasu i dzisiaj są tylko łakomym kąskiem na rynku klasyków. Wyjątkiem są tutaj kolejne nietypowe modele BMW – tym razem z turystycznej rodziny K 1600, obecne w ofercie do dzisiaj.

Honda Gold Wing jest obecna na rynku do dzisiaj, chociaż w chwili jej prezentacji w 1974 roku nikt nie zakładał tak ogromnego sukcesu. Motocykl napędzany był litrowym, chłodzonym cieczą, czterocylindrowym silnikiem typu bokser. Jednostka tego typu daje wiele korzyści w porównaniu z twinem. Po pierwsze, zapłony następują dokładnie do 180º, co znacznie podnosi kulturę pracy jednostki napędowej. Po drugie, naprężenia wału korbowego wynikające z ustawienia par cylindrów nie w jednej osi praktycznie się niwelują, tak samo jak siły drugiego rzędu generujące dodatkowe wibracje.

Boksery nie przyjęły się w motocyklach sportowych ze względu na ograniczanie przechyłu przez wystające cylindry

Jest jednak coś jeszcze lepszego niż bokser z czterema cylindrami. Tak! Mowa o „szóstce”. Honda poszła za ciosem – w 1988 roku zaprezentowała model GL 1500, a w 2001 GL 1800 Gold Wing. Jednostkę zwaną „flat six” („płaska szóstka”) można uznać za wzór, jeśli chodzi o kulturę pracy. Wynika to ze specyfiki konstrukcji, która jest idealnie zrównoważona. W dużym uproszczeniu można powiedzieć, że silnik Hondy składa się z trzech bokserów sklejonych ze sobą, w odstępach 120º. Co taki odcinek obrotu wału korbowego następuje też zapłon. Silnik nie ma też par tłoków ustawionych w GMP (górny martwy punkt) i DMP (dolny martwy punkt) w tym samym momencie, jak ma to miejsce w twinie i silniku o czterech cylindrach. Dzięki przesunięciu par cylindrów o 120º poszczególne suwy pracy cały czas na siebie nachodzą. Efektem jest jedwabiście miękka praca, charakterystyczna dla tego modelu.

Pisząc o bokserach stosowanych w motocyklach warto wspomnieć o konstrukcji, która powstała pod koniec lat siedemdziesiątych w nękanej kryzysem Brazylii. Był to Amazonas, ważący prawie 400 kg motocykl napędzany zmodernizowanym silnikiem poczciwego VW Garbusa. Silnik o mocy około 50 KM przenosił napęd za pośrednictwem samochodowej, czterobiegowej skrzyni z biegiem wstecznym. Kilkaset sztuk tych monstrualnych motocykli weszło do służby w policji, a część znalazła się na rynku cywilnym.

Pomysły na napęd rozrządu – BMW

Silniki typu bokser pod względem układu i budowy wału korbowego praktycznie się nie zmieniły. Dużo się dzieje w głowicach, które stają się coraz węższe i bardziej filigranowe. Zacznijmy od bokserów BMW w popularnej serii R 1200 GS. Pierwsze modele, oferowane od 2004 roku, miały mieszaną konstrukcję. W każdej z głowic pracował jeden wałek rozrządu, współpracujący z krótkimi popychaczami przekazującymi nacisk na podwójne dźwigienki. Z kolei w późniejszym modelu zastosowano typową konstrukcję DOHC, z dwoma wałkami rozrządu w głowicy. Dzięki temu, że napęd łańcuszków przenoszony był z wałka pośredniego obracającego się dwa razy wolniej niż wał korbowy, koła zębate w głowicy mogły być dużo mniejsze niż w klasycznej konstrukcji. W najnowszym silniku chłodzonym cieczą znów zastosowano układ mieszany. Tym razem łańcuszki napędzają wałek pośredni, z którego napęd przekazywany jest na wałki rozrządu za pośrednictwem kół zębatych. I znów udało się zaoszczędzić nieco miejsca.

Najprościej do sprawy podeszli inżynierowie konstruujący BMW R 18. Jak na cruisera przystało, mamy tu  klasyczne wałki rozrządu umieszczone w bloku, które za pomocą laskowych popychaczy przekazują siłę na dźwigienki. W ten sposób BMW zatoczyło koło, niejako wracając do konstrukcji popularnych dziesiątki lat temu. By zdać sobie sprawę, jaki dokonał się postęp w oszczędzaniu miejsca, wystarczy spojrzeć na protoplastę R 18, czyli model R 5 z 1936 roku. Tam boczne osłony głowic są naprawdę potężne.

Silnik BMW R 18 nawiązuje do konstrukcji z 1936 roku (model R 5). Nie tylko pięknie wygląda, ale też brzmi i ma niezłe osiągi

Od pasków do łańcuchów – Honda          

W modelach od GL 1000 do GL 1500 Honda stosowała napęd pojedynczego wałka rozrządu w każdej głowicy paskiem zębatym. By ograniczyć wymagania serwisowe, za regulację luzów odpowiadały hydrauliczne kasatory. Konstrukcja okazała się udana, ale w modelu 1800 za napęd służą już typowe dla motocykli łańcuszki. Prawdziwa rewolucja dokonała się jednak w silniku Gold Winga zaprezentowanym w 2018 roku. Mamy tutaj napęd łańcuchem, pojedynczy wałek rozrządu, ale aż cztery zawory na cylinder. Dwa z nich uruchamiane są za pośrednictwem szklankowych popychaczy, a dwa za pośrednictwem dźwigienek wyposażonych w typową regulację śrubową. Wszystko po to, by uczynić silnik jak najbardziej wąskim i smukłym.

Bokser czy płaski?

Tak naprawdę obaj producenci produkujący płaskie silniki oferują boksery. Wynika to z faktu, iż każda para tłoków porusza się w przeciwnych kierunkach, korzystając z oddzielnych wykorbień wału. Dlaczego więc przedstawiciele Hondy zalecają nazywać silniki Gold Winga 1800 płaskimi? Być może dlatego, że poszczególne pary nie pracują wspólnie, a są przestawione o 120º. Prawdziwy silnik typu „flat” spotkamy na przykład w niektórych modelach Ferrari, gdzie – zgodnie z definicją – każda para tłoków pracuje na jednym czopie korbowodu.

Zdjęcia: archiwum